磁力双稳态压电悬臂梁俘能器的非线性振动特性研究

为研究双稳态压电俘能系统的相关特性,首先,建立了外界激励作用下双稳态压电悬臂梁俘能系统的等效数学模型;其次,运用谐波平衡法计算获得了系统的动力响应方程,通过绘制的动力响应曲线发现了系统中幅值与功率的解均存在跳跃现象和多解的不稳定区域;最后,分析比较了不同参数对系统动力响应的影响特性。研究结果为优化双稳态压电悬臂梁俘能器的设计和应用提供了理论依据。     

磁耦合式双稳态宽频压电俘能器的设计和俘能特性

为了同时提高振动能量俘获系统的效率和实用性, 俘能器主结构的振动特性与环境振动特性的匹配度显得尤为重要. 非线性系统复杂的动力学行为为设计高效的俘能器奠定了基础, 但结构一旦被设计、生成出来, 其工作频率往往是固定的, 无法根据环境中的振动而发生相应的改变. 本文利用可移动铰支座和非线性磁力设计了一种具有双稳态特性的宽频压电俘能器, 通过拓宽压电俘能器的工作频带, 来匹配环境中较宽的振动频率. 为了保证系统低频宽带的俘能效果, 详细分析了结构的长度比、磁间距、负载阻抗、外激励频率和幅值等对系统线性刚度、非线性刚度以及动力学行为的影响, 并进行了实验验证. 首先将系统简化为欧拉-伯努力梁, 利用拉格朗日方程建立系统的非线性动力学方程, 并利用谐波平衡法进行求解. 针对理论分析给出的不同外激励频率下的最优长度比, 搭建了实验平台进行验证. 理论和实验的结果表明: 非线性磁力的引入使系统呈现负刚度特性, 使俘能器能够在单稳态和双稳态之间的变换, 实现低频俘能效果; 通过调节可移动铰支座的位置, 改变系统的长细比, 能够实现从0到16 Hz的宽频俘能效果.      

基于非线性谐振电路的双稳态俘能器的俘能与动力学特性研究

双稳态俘能器可实现宽频和高效的俘能效果.目前的研究主要在双稳态结构中接入单一电阻电路进行俘能.本文将非线性RLC (电阻-电感-电容)谐振电路引入到三弹簧式双稳态结构中,构建两自由度非线性系统,以实现俘能特性的提升.设计永磁体与线圈的构型,获得了非线性机电耦合系数.推导并得到了两自由度非线性俘能器的控制方程.利用谐波平衡法推导得到了系统的电流与位移的频率响应关系.基于雅可比矩阵对解的稳定性进行了判别.将解析解与数值解进行了对比验证.结果表明,在双稳态俘能器中引入非线性二阶谐振电路不仅有利于低频俘能,还可进一步提升俘能响应,拓宽俘能带宽.相同的电路参数下,与线性电路相比非线性电路可通过电流的倍频现象实现结构更低频率的能量俘获.减小谐振电路与双稳态结构共振频率之比,增加基础激励幅值,减小静平衡点之间的距离均可提升俘能器的俘能效果.通过调控谐振电路与双稳态共振频率之比和基础激励幅值等参数,可实现系统单倍周期响应、多倍周期响应及混沌响应之间的切换.     

等效刚度对非线性压电俘能系统性能影响研究

基于Hamilton原理,考虑几何非线性和梁的不可伸长条件,建立了五层压电双晶片叠合梁俘能器在直接和参数激励作用下的运动微分方程。利用Galerkin法和谐波平衡法获得了俘能器的位移、输出电压和输出功率的解析解。引入随时间变化的扰动,提出了非线性方程解的稳定性条件。为了对压电俘能器的结构-性能关系进行综合分析,研究了被动层的配置形式、被动层与主动层的厚度比和弹性模量对压电俘能系统性能的影响。结果表明,在叠合梁厚度不变的情况下,采用五层的压电双晶片叠合结构,选择合理的被动层与主动层厚度比、被动层弹性模量、被动层厚度比和负载电阻,可以有效提高能量俘获的效率。     

矿用压电俘能器建模与俘能特性研究

采煤机的无线监测节点存在供电难问题,采用压电俘能器将振动能转化为电能可为其供电,研究俘能特性具有重要科学意义.采用实验与数据拟合方法建立恢复力模型,磁化电流法建立磁力模型,拉格朗日函数建立动力学模型, RecurDyn提取滚筒、摇臂的截割方向加速度,龙格库塔法求解动力学模型,分析在不同磁距的俘能特性,并开展实验研究.结果表明:受到前滚筒、后滚筒、前摇臂和后摇臂的截割方向加速度,在俘能特性较好的磁距时,电压依次减小且均随煤层硬度的增大而增大,截割f4煤层时,磁距分别为12 mm, 16 mm, 12 mm和12 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为5.107 V, 4.224 V, 0.998 V和0.882 V,截割f6煤层时,磁距均为16 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为7.298 V, 6.747 V, 1.592 V和1.397 V,加入磁力可以加大电压.实验研究发现,受到截割f4和f6煤层的前滚筒截割方向加速度,在俘能特性较好的磁距时,电压随煤层硬度的增大而增大,磁距分别为12 mm和16 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为3.340 V和4.959 V,加入磁力可以加大...     

具有弹性放大器的双稳态压电俘能器建模及参数影响分析

利用广义Hamilton变分原理,建立了具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统BPH+EM的动力学方程。考虑谐波激励,采用调和平衡法获得了BPH+EM系统的位移、输出电压和功率的解析解。利用求得的解析解,讨论了BPH+EM系统扩大能量俘获的频率范围和提高能量俘获效率的机理,研究了弹性放大器的刚度质量比对BPH+EM系统的动力性能影响规律。当弹性放大器的刚度质量比趋于无限大时,具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统退化为双稳态压电俘能系统BPH。弹性放大器的刚度质量比趋于0但不等于0时,BPH+EM的俘能效率低于BPH。结果表明,在合适的刚度质量比范围内,BPH+EM的俘能效率显著优于BPH。研究结果为BPH+EM系统的优化设计提供了理论指导。     

梁端质量和叠层形式对非线性俘能器性能的影响

基于哈密顿原理和梁的不可伸长条件,建立了在直接激励和参数激励下具有尖端质量的五层压电双晶片悬臂梁型非线性压电俘能器的分布参数微分运动方程.采用Galerkin方法获得力电耦合的Mathieu方程.利用谐波平衡方法来获得方程近似解的解析表达式.在参数激励、直接激励及其组合激励条件下,研究了梁端质量、负载电阻、基层厚度比对...     

低频螺旋状压电俘能器结构性能分析

利用螺旋状双晶片压电梁式俘能器可以有效地从低频工作环境中提取能量.由于这种俘能结构振动中存在弯曲振动和伸缩振动两种模态,确定俘能器的最优工作模态非常重要,这样外载作用型式(即面内受载还是面外受载)对俘能器的影响较大.数值结果表明:外激励方向不同时,最大输出功率密度出现在不同阶数的固有频率处,并且最大输出功率密度的大小也显著不同,面内加载方式明显优于面外加载方式.最后还详细讨论了储能电路的阻抗,自由端悬挂的集中质量对俘能器性能的影响规律.     

非对称势阱对三稳态压电俘能器性能的影响分析

为了探讨具有非对称势能函数的三稳态压电俘能器的优点,提出了一种具有不对称势能函数的三稳态结构.基于广义Hamilton变分原理,考虑梁端磁铁偏心距和转动惯量的影响,建立了非对称三稳态压电悬臂梁俘能系统的动力学方程,利用龙格-库塔法和多尺度法分析了初始振动点、外界激励等对存在非对称势阱的磁力式三稳态压电俘能系统响应的影响...     

钝体表面附着物对低速水流压电俘能器性能影响研究

低速水流能可作为可再生能源的重要补充,适用于低速水流能开发的压电俘能器已在流场中表现出了优异的性能.而在钝体的表面增加附着物可影响压电俘能器的能量转换.通过改变附着物的形状、凸起高度和凹陷深度探究其对驰振式压电俘能器输出特性的影响.利用拓展的哈密顿原理建立俘能器的机械控制方程,引入高斯定理建立电场-位移控制方程,并基于准稳态假设计算驰振的水动力及力矩,进而得到压电俘能器机电耦合分段参数模型.用伽辽金法离散悬臂梁的位移,并在此基础上解耦控制方程,从而得到输出功率及悬臂梁位移近似解.通过水槽实验获得压电俘能器输出功率的实验值,并验证了数学模型的准确性.结果表明:0.51 m/s流速下,-2 mm椭球型凸起的压电俘能器RMS功率为1.411 mW,与无附着物的椭圆柱相比增幅为69.88%;当钝体包裹6 mm凸起的圆柱型附着物时,悬臂梁末端的振幅为3.07 mm,相比于无附着物的情况降低了84.83%.三维数值模拟的结果表明凸起、凹陷为2 mm附着物的应用会使在钝体上形成的压差升高,进而加剧流致振动,且会影响从钝体两侧脱落涡的大小及强度.     

参数和直接激励下非线性压电俘能器性能分析的多尺度法

考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,利用Hamilton变分原理,建立了参数激励和直接激励下压电俘能器的非线性力电耦合的运动微分方程;利用Galerkin法,将所建立的动力学偏微分方程降阶为力电耦合的Mathieu-Duffing型方程;采用多尺度法获得了梁的位移和输出电压的解析表达式,给出了解的稳定性条件;利用解析表达式研究了单独参数激励以及参数激励和直接激励共同作用下阻尼系数对压电俘能器性能的影响。结果表明,在参数激励情况下,线性阻尼会显著影响超临界分岔点的位置,非线性二次阻尼不会影响超临界分岔点的位置。参数激励和直接激励的结合可以作为提升压电能量俘获器性能的解决方案。     

Enhanced galloping energy harvester with cooperative mode of vibration and collision

The low power and narrow speed range remain bottlenecks that constrain the application of small-scale wind energy harvesting. This paper proposes a simple, low-cost, and reliable method to address these critical issues. A galloping energy harvester with the cooperative mode of vibration and collision (GEH-VC) is presented. A pair of curved boundaries attached with functional materials are introduced, which not only improve the performance of the vibration energy harvesting system, but also convert more mechanical energy into electrical energy during collision. The beam deforms and the piezoelectric energy harvester (PEH) generates electricity during the flow-induced vibration. In addition, the beam contacts and separates from the boundaries, and the triboelectric nanogenerator (TENG) generates electricity during the collision. In order to reduce the influence of the boundaries on the aerodynamic performance and the feasibility of increasing the working area of the TENG, a vertical structure is designed. When the wind speed is high, the curved boundaries maintain a stable amplitude of the vibration system and increase the frequency of the vibration system, thereby avoiding damage to the piezoelectric sheet and improving the electromechanical conversion efficiency, and the TENG works with the PEH to generate electricity. Since the boundaries can protect the PEH at high wind speeds, its stiffness can be designed to be low to start working at low wind speeds. The electromechanical coupling dynamic model is established according to the GEH-VC operating principle and is verified experimentally. The results show that the GEH-VC has a wide range of operating wind speeds, and the average power can be increased by 180% compared with the traditional galloping PEH. The GEH-VC prototype is demonstrated to power a commercial temperature sensor. This study provides a novel perspective on the design of hybrid electromechanical conversion mechanisms, that is, to combine and collaborate based on their respective characteristics.

     

双稳态电磁式振动能量捕获器超谐波响应研究

超谐波响应是非线性振动系统在较大激励下表现的特性,在某种条件下双稳态振动能量捕获系统的超谐波响应可使系统产生优越的输出功率。本文将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获器相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程。采用两项式谐波平衡法,获得了双稳态系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解,借助数值仿真分析了质量比和调频比对双稳态振动能量捕获器产生大幅运动的影响规律,获得了双稳态系统的结构参数的最佳配置范围,且当外部激励频率处于低频段时,系统发电主要表现为超谐波发电,随着激励频率的增大,振动发电系统主要呈现基谐波发电。上述研究,为双稳态能量捕获装置的理论研究提供了参考。     

Spiral piezoelectric transducer in torsional motion as low-frequency power harvester

A structure consisting of a spiral piezoelectric transducer and a concentrated mass is proposed as a low-frequency piezoelectric power harvester. A theoretical model is developed for the system from the theory of piezoelectricity. An analysis is performed to demonstrate the low-frequency nature of the system. Other basic characteristics of the power harvester including the output power, voltage, and efficiency are also calculated and examined.     

基于能量原理的双稳态各向同性柱壳力学特性研究

双稳态结构可以在伸展和卷拢两种状态下均保持稳定,作为一种新型可展开空间结构,其在航空航天等领域具有广阔的应用前景。选取各向同性材料作为研究对象,并假定该材料为理想弹塑性材料。建立柱壳的力学计算模型,推导结构变形时应变能的解析表达式,基于能量原理导出柱壳在两个稳定状态下的卷曲半径。结果表明,基于全量理论和增量理论的模型均能反映结构的双稳态特性,但后者能更准确地预测两个稳态对应的卷曲半径的大小。对于文中给定的柱壳,全量理论导出的卷曲半径R3x相对于增量理论结果误差为5.2%~11.6%,R5y相对误差为29.8%~41.3%。另外,应用有限元软件ABAQUS对各向同性柱壳结构的双稳态过程进行数值模拟,数值结果与增量理论结果的相对误差为0.9%~13.2%,二者吻合较好。     

Nonlinear characteristics of circular-cylinder piezoelectric power harvester near resonance based on flow-induced flexural vibration mode

The nonlinear behaviors of a circular-cylinder piezoelectric power harvester （CCPPH） near resonance are analyzed based on the flow-induced flexural vibration mode. The geometrically-nonlinear effect of the cylinder is studied with considering the in-plane extension incidental to the large defection. The boundary electric charges generated from two deformation modes, flexure and in-plane extension, were distinguished with each other because the charge corresponding to the latter mode produces no contribution to the output current. Numerical results on output powers show that there are multi- valuedness and jump behaviors.