基于流致振动的磁力非线性压电俘能系统模拟与实验研究
发布时间：2021-03-09 13:57
近年来,为缓解能源紧缺加上MEMS等的发展,许多学者将目光投入到基于压电材料的正压电效应的压电俘能上来。环境振动俘能通常有频率多变的特点,因此拓宽压电俘能器的频带是一项研究热点,引入磁力带来非线性是可采取的调频手段之一,因此本文设计了一套水流环境中的,基于流致振动原理的磁力作用下的非线性压电俘能器,通过永磁铁间的磁力作用为系统调频提供基础。首先本文建立了磁力非线性俘能系统输出特性的数学模型,将系统模型参数分为俘能器结构参数和磁力参数两部分,运用等效原理求解了系统各等效结构参数,同时建立了磁铁间的磁势能模型,确定了所引入的磁力参数与磁铁相对位置间的关系。接下来利用建立的数学模型,数值分析并结合仿真对比总结了系统的输出特性。引入的磁力参数简化为线性刚度系数1与非线性刚度系数2,求解了不同的磁铁位置参数下的等效的磁力参数的变化,确定了数值分析与仿真所需参数的取值范围,根据1的取值将系统分为硬刚度系统和软刚度系统。结果表明:1取负值的硬刚度系统,起振流速滞后但在高流速时电压输出增大,提升效果随2绝对值的增大而减弱,随1绝对值的增大而加强,系统的频带得到了拓宽,最大拓宽了36%,适合应用在流速较...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锥形和反向锥形悬臂梁[14]
，降频以提升输出。此外学者对悬臂梁应力分布进行了研究，发现应力集中在根部，影响能量转换。因此很多学者通过对梁的结构进行优化来改善应力分布问题，Dietl和Garcia[14]理论分析了变截面梁加质量块的应力分布与振型并和矩形截面梁作对照，为验证其理论设计了锥形和反向锥形悬臂梁结构的俘能器，如图1-1所示，研究表明存在最优的梁结构使得同源情况下俘能效果最佳。Park等[15]提出了一种基于尖端激励的压电俘能器的设计方案，利用仿真软件耦合分析了压电材料的机电行为，以此进行优化设计，使俘能器输出性能最优化，如图1-2所示。针对传统悬臂式压电俘能器应力分布不均，能量转化率低等问题，Yang等人[16]引入弧形压电元件设计了一种弯曲结构的压电俘能器，如图1-3所示，结果显示，这种弧型的PEHs谐振频率低，并且在其工作时应力分布更为均匀。在采用了这种弧形压电元件后，功率密度获得200%的提升，能量转换效率则提高了60%。图1-1锥形和反向锥形悬臂梁[14]图1-2优化设计的梁[15]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3弧形压电梁俘能器[16]压电俘能器的一个重要指标就是带宽，即在所受激励源频率变动时能有较大输出的频率范围，通常采用3dB带宽的界定方法。但是由于线性谐振俘能器无法从宽带或变频激励中获取能量，并且引入非线性后的压电俘能器在功率输出和频带宽度上均表现出更优越的性能，因此受到更多研究人员关注。研究人员先后探索了单稳态、双稳态和三稳态系统下的非线性压电俘能[17]。Gael等[18]研究了一种机械非线性较强的单稳态压电俘能器，如图1-4所示，研究证明其相对对应的线性系统有明显的带宽提升。Masana等[19]针对以前学者研究的非线性结构存在的单双稳态现象，设计了一组对比实验，通过将静态轴向的压缩载荷施加在压电梁的一端，从而令俘能器的势函数发生变化进而实现单双稳态的转变，如图1-5，研究了同种激励下具有相近谐振频率的单双稳态的非线性系统的输出特性，结果发现同激励下势函数形态对输出响应有很大影响。Stanton等[20]设计了一种磁力作用下的单稳态非线性压电俘能装置，如图1-6所示，通过作为压电振子的磁铁和外部磁铁间的磁力作用引入非线性。在沿压电梁长度方向改变外部磁铁与压电梁上磁铁相对位置时，能够得到不同刚度系数的单稳态系统。结果表明，引入磁力非线性的系统可以兼顾更宽频带和更高输出的性能提升。图1-4单稳态Duffing俘能系统[18]图1-5通过轴向载荷改变非线性特性[19]
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁力双稳态压电悬臂梁俘能器的非线性振动特性研究[J]. 张宇,汪权. 计算力学学报. 2017(06)
[2]非线性双稳态压电俘能系统阱间阱内运动谐波分析[J]. 朱培,任兴民,秦卫阳,周志勇. 机械科学与技术. 2018(02)
[3]风力发电及其技术发展综述[J]. 李军军,吴政球,谭勋琼,陈波. 电力建设. 2011(08)
[4]压电俘能技术研究现状综述[J]. 袁江波,谢涛,单小彪,陈维山. 振动与冲击. 2009(10)
[5]21世纪中国水电发展前景展望[J]. 彭程,钱钢粮. 水力发电. 2006(02)
[6]压电材料的发展及应用[J]. 张传忠. 压电与声光. 1993(03)
硕士论文
[1]基于尾流激振的水下压电俘能研究[D]. 王艺聪.哈尔滨工业大学 2019
[2]流体耦合压电俘能器的研究[D]. 范兆凯.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3072964
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锥形和反向锥形悬臂梁[14]
，降频以提升输出。此外学者对悬臂梁应力分布进行了研究，发现应力集中在根部，影响能量转换。因此很多学者通过对梁的结构进行优化来改善应力分布问题，Dietl和Garcia[14]理论分析了变截面梁加质量块的应力分布与振型并和矩形截面梁作对照，为验证其理论设计了锥形和反向锥形悬臂梁结构的俘能器，如图1-1所示，研究表明存在最优的梁结构使得同源情况下俘能效果最佳。Park等[15]提出了一种基于尖端激励的压电俘能器的设计方案，利用仿真软件耦合分析了压电材料的机电行为，以此进行优化设计，使俘能器输出性能最优化，如图1-2所示。针对传统悬臂式压电俘能器应力分布不均，能量转化率低等问题，Yang等人[16]引入弧形压电元件设计了一种弯曲结构的压电俘能器，如图1-3所示，结果显示，这种弧型的PEHs谐振频率低，并且在其工作时应力分布更为均匀。在采用了这种弧形压电元件后，功率密度获得200%的提升，能量转换效率则提高了60%。图1-1锥形和反向锥形悬臂梁[14]图1-2优化设计的梁[15]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3弧形压电梁俘能器[16]压电俘能器的一个重要指标就是带宽，即在所受激励源频率变动时能有较大输出的频率范围，通常采用3dB带宽的界定方法。但是由于线性谐振俘能器无法从宽带或变频激励中获取能量，并且引入非线性后的压电俘能器在功率输出和频带宽度上均表现出更优越的性能，因此受到更多研究人员关注。研究人员先后探索了单稳态、双稳态和三稳态系统下的非线性压电俘能[17]。Gael等[18]研究了一种机械非线性较强的单稳态压电俘能器，如图1-4所示，研究证明其相对对应的线性系统有明显的带宽提升。Masana等[19]针对以前学者研究的非线性结构存在的单双稳态现象，设计了一组对比实验，通过将静态轴向的压缩载荷施加在压电梁的一端，从而令俘能器的势函数发生变化进而实现单双稳态的转变，如图1-5，研究了同种激励下具有相近谐振频率的单双稳态的非线性系统的输出特性，结果发现同激励下势函数形态对输出响应有很大影响。Stanton等[20]设计了一种磁力作用下的单稳态非线性压电俘能装置，如图1-6所示，通过作为压电振子的磁铁和外部磁铁间的磁力作用引入非线性。在沿压电梁长度方向改变外部磁铁与压电梁上磁铁相对位置时，能够得到不同刚度系数的单稳态系统。结果表明，引入磁力非线性的系统可以兼顾更宽频带和更高输出的性能提升。图1-4单稳态Duffing俘能系统[18]图1-5通过轴向载荷改变非线性特性[19]
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁力双稳态压电悬臂梁俘能器的非线性振动特性研究[J]. 张宇,汪权. 计算力学学报. 2017(06)
[2]非线性双稳态压电俘能系统阱间阱内运动谐波分析[J]. 朱培,任兴民,秦卫阳,周志勇. 机械科学与技术. 2018(02)
[3]风力发电及其技术发展综述[J]. 李军军,吴政球,谭勋琼,陈波. 电力建设. 2011(08)
[4]压电俘能技术研究现状综述[J]. 袁江波,谢涛,单小彪,陈维山. 振动与冲击. 2009(10)
[5]21世纪中国水电发展前景展望[J]. 彭程,钱钢粮. 水力发电. 2006(02)
[6]压电材料的发展及应用[J]. 张传忠. 压电与声光. 1993(03)
硕士论文
[1]基于尾流激振的水下压电俘能研究[D]. 王艺聪.哈尔滨工业大学 2019
[2]流体耦合压电俘能器的研究[D]. 范兆凯.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3072964
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