变势能阱双稳态气动弹性能量收集的性能增强研究

提出一种新型的磁耦合变势能阱双稳态压电颤振能量收集器,设计了外部磁场作用下颤振能量收集系统的双稳态构型,并利用弹性支撑的外部磁铁的运动实现了变势能阱技术,解释了变势能阱双稳态对颤振能量收集系统的性能增强机理。建立了磁力-压电-气动弹性耦合的颤振能量收集系统的动力学分析模型,根据非线性磁偶极模型以及平衡点稳定性理论,讨论了系统出现双稳态构型的参数条件。对磁耦合双稳态颤振能量收集系统的动态特性进行了数值仿真研究,结果显示,双稳态构型能够使无磁力颤振能量收集系统的超临界颤振行为转变为亚临界颤振,发生极限环振动的风速能够降低50%以上,拓宽了能量收集器的有效工作风速范围,并分析了磁铁间距、磁偶极矩对能量收集性能的影响规律。采用弹性支撑的外部磁铁的运动来自适应调节内外部磁铁之间的距离,达到变势能阱的目的,有效地降低了双稳态的势能阱深度,使系统更容易发生双稳态势能阱间的跃迁运动,从而在双稳态的设计基础上,实现了能量收集工作风速范围和输出电功率的同步提升,为低风速下的能量收集提供了一种有效的设计途径。