基于吸振装置的压电能量采集器双功能研究

发布时间：2020-04-07 06:31

【摘要】：近年来,研究压电能量采集技术回收环境中的振动能为传感器网络和无线电设备供电成为热点之一。振动能广泛存在于许多实际工程应用中,且存在由共振或霍普夫分岔引起的有害振动。因此,研究压电能量采集器在应用上与吸振器相结合,进行振动控制和能量采集具有重要的意义。目前对压电能量采集器的研究大都处于优化其采集能力上,较少将其应用于吸振上。本文基于吸振装置分别研究了两种压电能量采集器,一种为自参数压电能量采集器,其是基于非线性“饱和”原理和1:2内共振设计的。另一种为基于动力吸振器设计的梭形压电能量采集器。基于Hamilton原理和Gauss定理,分别建立了这两种压电能量采集器的分布参数模型。对于自参数压电能量采集器的数学模型,通过谐波平衡法和多尺度法对原控制方程进行解耦并得到了近似解析解。为完成振动控制和能量采集双功能的协同研究,从解析解角度给出了自参数压电能量采集器控制主结构位移最小的优化条件,而从数值解角度发现了通过调节负载电阻和端部质量来实现梭形压电能量采集器的双功能优化。通过研究这两种压电能量采集器在恒定激励频率和幅值下的性能,发现了它们不仅能有效控制主结构在共振区的振动,而且次结构并未受主结构直接影响而降低能量采集效果。通过对自参数压电能量采集器的数值解研究,发现其存在分岔现象。系统从稳定区域到不稳定区域会经历周期运动、准周期运动和混沌运动。对于主结构振动的控制会在系统处于不稳定区域时失效。最后,设计并制作了自参数压电能量采集器实验装置,通过实验,验证了系统中存在的1:2内共振现象。实验结果中的采集功率与理论结果对比良好,从而验证了理论模型。基于梭形压电能量采集器理论模型,在有限元软件中建立仿真模型并进行了动力学特性分析和多物理场耦合分析。通过理论结果和仿真结果的对比,验证了梭形压电能量采集器的理论模型。
【图文】：

图 2-2 振动能、太阳能和一般化学电池功能随使用年限对比在实际工作中，共振可能会引起仪器的损坏，因此减少振动也是一项要的工作[7]。当地震和波浪力来袭时，且当它的主频率接近建筑物固有频时，诸如大楼，海上钻井平台和塔架之类的结构会发生大幅度振荡。当由普夫分叉引起的舞动时，，大跨度桥或覆冰输电线的振荡会变得相当严重。

图 2-3 双晶片悬臂梁式压电能量采集器悬臂梁式压电能量采集器的几何形状也极大地影响其振动能量转化。学者们对悬臂梁式结构的几何形状也做了一定的研究。Amat 等[18]相同的电阻和压电材料面积相比下，三角形悬臂梁式压电能量采集器率和能量转换效率要优于矩形悬臂梁。Erturk 等[19]提出一种 L 型梁式
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM619

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本文编号：2617567