锯齿型压电梁的电响应分析

压电振子的工作频带宽度是影响压电振动能量收集器发电效率的关键指标。该文旨在分析一种锯齿型阵列式压电振动能量收集器结构模态频率,为压电振子的动力学设计提供参考。首先,基于弹性梁振动理论,推导了锯齿型压电梁的动力学方程,并分析了影响压电梁模态频率的因素。然后,通过COMSOL建立锯齿形压电梁的有限元模型,分析了其频响特性、功率与负载阻抗匹配特性及加速度依赖性。最后,通过实验研究测试了锯齿型压电梁的电压幅频特性曲线,验证了理论分析与仿真模拟结果的合理性。结果表明,锯齿型阵列式压电振动能量收集器能够有效地拓宽工作频带,进而提高发电效率。     

基于力电响应的压电悬臂梁疲劳寿命预测EI北大核心CSCD

针对压电振动能量收集器的疲劳问题,旨在研究基于力电响应的压电悬臂梁振动疲劳寿命预测方法。结合压电悬臂梁振动疲劳试验测得的试验结果,以剩余刚度理论和“两段式”疲劳寿命分析模型为基础提出一种基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法;进一步分析振动疲劳过程中谐振频率变化与负载功率变化的关系模型,提出一种基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法。结果表明:基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差在10%~20%之间,其误差范围控制在1.5倍误差线以内;而基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差集中于25%左右,误差范围均控制在2倍误差线以内且属于偏安全的预测效果。     

混合激励压电振动能量收集器的机电响应分析EI北大核心CSCD

为提高压电振动能量收集器在多种能量环境下的工作效率,旨在研究一种基础激励和风流体混合激励下压电振动能量收集器的机电响应性能。根据Euler-Bernoulli弹性梁振动理论建立了混合激励下压电悬臂梁的分布参数模型,通过建立机电耦合降阶模型得到了系统的第一阶模态机电控制方程,利用机电解耦方法推导了系统响应的解析解,讨论了负载电阻、风速对系统固有频率及机电阻尼的影响,分析了负载电阻、加速度及风速对系统发电性能的影响,验证了理论模型的正确性。结果表明,与基础激励相比,混合激励不但增大系统的能量收集功率,而且可在更宽的频带区间内收集能量。     

压电悬臂梁的力电响应及疲劳寿命分析

压电悬臂梁的力电响应与疲劳寿命是制约振动能量收集器深层次应用的关键。基于分布式参数建模方法,建立了压电悬臂梁的动力学模型,求解了压电悬臂梁的力电响应的解析解;借助有限元方法,开发了压电悬臂梁的仿真模型;通过实验验证了理论模型与有限元模型的准确性;应用仿真模型,分析了压电悬臂梁的几何尺寸、基体层厚度、陶瓷层厚度对力电响应的影响;基于估算的压电材料SN曲线,探讨了各参数对压电悬臂梁疲劳寿命的影响。结果表明：当宽度、基体层和陶瓷层厚度分别从16～24 mm、0.16～0.24 mm线性增加时,压电悬臂梁的疲劳寿命近乎呈现指数形式增加,而压电悬臂梁的长度由48 mm增加到56 mm,其疲劳寿命显著降低。     

振动疲劳对压电悬臂板电激励响应的影响

针对压电智能结构的动力学设计,研究振动疲劳对双晶压电悬臂板电激励响应的影响。在电压激励下,测试压电悬臂板的自由端位移、致动层根部应变和传感层发电电压随振动循环次数的变化,分析激励电压幅值和电压波形对位移、应变及发电电压的影响,讨论位移响应、应变响应和发电电压响应随振动疲劳的变化情况。结果表明:在45~50 V的激励电压下,激励电压幅值越大,压电悬臂板的电致响应幅值下降越多,疲劳损伤速率越快;正弦波电压激励相较于三角波电压激励更容易导致振动疲劳;由于振动疲劳损伤的非线性,压电悬臂板疲劳损伤前后的位移?应变曲线斜率不再一致,而且疲劳损伤后共振时压电悬臂板根部应变降低。试验结果可为压电智能结构的动力学设计提供数据支撑。     

压电振动能量收集器的建模与响应分析

以多方向压电振动能量收集器为对象,建立系统的简化机电耦合动力学模型。利用COMSOL软件构建能量收集装置的有限元模型,分析了系统的振动模态,讨论了系统不同结构参数对其电压频域响应及负载功率阻抗匹配的影响。引入非线性磁力,探究了不同磁间距对电学响应的作用。结果表明,能量收集器在y方向1g(g=9.8 m/s²)加速度载荷激励下,负载电压和负载功率峰值分别达到37 V、6.9 mW,减少压电陶瓷、弹簧基底厚度及增加附加质量块的质量有利于能量收集,并且能量收集装置在磁力作用下具有自主调谐功能,增强了环境适应性。     

基于田口法的压电振动俘能器尺寸优化

为了拓宽压电俘能器的工作频带和提高发电效率,设计了一种“己”字型压电振动俘能器结构。以俘能器输出电压最大为目标,采用田口法优化了压电振动俘能器结构的尺寸,建立了俘能器的有限元模型,讨论了输出电压和功率的负载阻抗匹配特性及加速度依赖性,通过实验验证了优化结果的准确性以及结构尺寸的合理性。结果表明,俘能器结构的最佳尺寸组合为A3(95mm)、B3（45mm）、C1(60mm)、D2(35mm)、E1(50mm),尺寸A对于俘能器响应影响最为明显,贡献率达到了26.013%,而尺寸B、C、D、E的影响依次降低,分别为19.062%、18.380%、18.294%、18.252%。研究结果可为压电俘能器结构的动力学优化提供参考。     

悬臂梁式压电振动能量收集器的疲劳分析

压电悬臂梁的力电响应与疲劳寿命是制约振动能量收集器深层次应用的关键。基于分布式参数建模方法,建立了压电悬臂梁的动力学模型,求解了压电悬臂梁的力电响应的解析解;借助有限元方法,开发了压电悬臂梁的仿真模型;通过实验验证了理论模型与有限元模型的准确性;应用仿真模型,分析了压电悬臂梁的几何尺寸、基体层厚度、陶瓷层厚度对力电响应的影响;基于估算的压电材料S-N曲线,探讨了各参数对压电悬臂梁疲劳寿命的影响。结果表明：当宽度、基体层和陶瓷层厚度分别从16~24 mm、0.16~0.24 mm线性增加时,压电悬臂梁的疲劳寿命近乎呈现指数形式增加,而压电悬臂梁的长度由48 mm增加到56 mm,其疲劳寿命显著降低。     

双激励压电悬臂梁的力电响应分析

压电能量收集器因其结构简单、能量密度高、不受电磁干扰、能够在较低的频率收集振动能等优点,在机械、电子和航空航天等领域具有良好的应用前景。针对提高压电振动能量收集器发电效率的动力学设计,旨在研究双激励环境下压电悬臂梁的力电响应特性。根据Euler-Bernoulli梁理论、压电材料本构关系以及克希霍夫定律,建立双激励压电悬臂梁的机电耦合动力学模型。在此基础上,应用Galerkin法与模态叠加原理推导压电悬臂梁的力电响应表达式,建立根部应变与输出电压的关系模型。测试不同参数下单/双激励压电悬臂梁的力电响应特性,验证理论推导的合理性。最后,分析相位对双激励下压电悬臂梁输出电压的影响。结果表明：压电悬臂梁在双激励下的应变幅频响应变化规律与电压响应规律基本吻合;双激励下压电悬臂梁的力电响应曲线均呈现先增大,在接近共振频率达到极值时减小的变化趋势;激励幅值的增大导致压电悬臂梁的刚度和共振频率降低,试验测得的压电悬臂梁最大频率降为1.5 Hz;调节2种激励信号的相位,会影响输出电压响应,而且在一个周期内呈先减小后增大的趋势。     

压电悬臂梁振动模糊滑模控制

针对压电悬臂梁的振动问题,该文提出了一种模糊滑模主动控制策略,以在抑制悬臂梁振动的基础上减小抖振。根据均质梁单元和压电梁单元运动方程引入状态向量,建立了压电悬臂梁的状态空间方程。通过平衡截断法对压电悬臂梁模型进行降阶,以提高计算效率,并以降阶模型为对象设计了模糊滑模控制器。运用模糊规则调节切换增益,饱和函数替换符号函数,有效地减小了滑模控制的抖振现象,利用Lyapunov函数证明其稳定性。结果表明,基于饱和函数的模糊滑模控制不仅能控制压电悬臂梁的振动,还能降低抖振现象。