扭转及弯曲压电梁涡激振动俘能研究

发布时间：2017-08-26 13:40

  本文关键词：扭转及弯曲压电梁涡激振动俘能研究

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【摘要】：自然界中,低速流动的水流广泛存在。设计加工俘能装置,将这些低速流体中蕴含的水能转换为电能已经成为当下学者们的研究热点。当低速水流流经圆柱时,会发生涡激振动,激励圆柱周期性地低频振动,将压电梁与圆柱刚性连接后,与圆柱一起周期性振动,极化发电。单个俘能器可以为间歇性低功耗装置和无线小型电子设备供能,同时,多组俘能器的阵列组合,可以为大型电子设备持续供电。阅读相关文献,通过圆柱偏心设计,设计加工了扭转型和弯扭复合型涡激振动压电俘能器,用于俘获低速水流中的水能,并对其进行了一系列的数值分析和实验研究。基于流体涡激振动、机械振动、材料力学、弹性力学、压电学、欧拉伯努利梁、Galerkin离散等理论,建立了压电梁的数学模型,结合Lagrange方程,建立了涡激振动俘能器的非线性能量控制方程。利用建立的能量控制方程,对设计的俘能器进行了数值分析,对比它们的振动特性后,选取俘能效果好的弯扭复合型压电梁涡激振动俘能器作为本文的主要研究对象,同时,研究了流速、外接负载电阻、压电片宽度、圆柱直径及其质量偏心距和圆柱质量对俘能器俘能特性的影响。在环境中水流流速一定的情况下,合理的选取外接电阻,压电梁以及偏心圆柱的尺寸以尽可能最大限度的俘获能量。研制了实验平台,加工装配了俘能器,实验验证数值分析的结果。实验与数值分析的结果无论在趋势还是数值上都有着很好的一致性,验证了本文数学模型的正确性,可以用于指导设计加工高效的俘能器。同时,研制出了弯扭复合型涡激振动压电俘能器,最大输出功率为0.4133m W,相比弯振型涡激振动压电俘能器,最大输出功率提高了130%。本文研究了扭转及弯曲压电梁涡激振动俘能,通过实验验证了建立理论的模型的正确性,可以用于指导设计加工利用低速水流的高效俘能装置。
【关键词】：涡激振动 低频振动 扭转振动 弯扭复合 压电俘能
【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】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题来源9
• 1.2 研究背景及意义9-10
• 1.3 国内外研究现状10-16
• 1.3.1 涡激振动的研究现状10-13
• 1.3.2 悬臂梁压电俘能的研究现状13-15
• 1.3.3 空气中的涡激振动压电俘能15-16
• 1.3.4 水流中的压电俘能16
• 1.4 国内外研究现状分析16-17
• 1.5 本课题的主要研究内容17-19
• 第2章 涡激振动压电俘能器的建模19-45
• 2.1 引言19
• 2.2 涡激振动压电俘能器的建模19-30
• 2.3 弯曲及扭转压电梁涡激振动俘能器的建模30-44
• 2.3.1 扭转型压电梁涡激振动俘能器的建模30-35
• 2.3.2 弯扭复合型压电梁涡激振动俘能器的建模35-44
• 2.4 本章小结44-45
• 第3章 涡激振动压电俘能器的数值仿真45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 涡激振动压电俘能器的基本参数45-46
• 3.3 涡激振动压电俘能器的机械阻尼比46-47
• 3.4 流速对俘能器振动与俘能特性的影响47-52
• 3.4.1 流速对俘能器振动特性的影响47-49
• 3.4.2 流速对俘能器俘能特性的影响49-52
• 3.5 涡激振动压电俘能器的最优负载电阻52-55
• 3.6 俘能器尺寸对俘能器俘能特性的影响55-57
• 3.7 圆柱质量对涡激振动压电俘能器俘能特性的影响57-58
• 3.8 本章小结58-59
• 第4章 涡激振动压电俘能器的实验研究59-69
• 4.1 引言59
• 4.2 试验台的研制59-61
• 4.2.1 实验水槽的研制59-60
• 4.2.2 离心水泵及变频器的选取60
• 4.2.3 数据采集卡与流速仪的选取60-61
• 4.3 实验设备的准备与调试61-63
• 4.3.1 俘能器的加工装配61-62
• 4.3.2 实验台的调试62-63
• 4.4 涡激振动压电俘能器俘能特性的实验研究63-68
• 4.4.1 流速对俘能器俘能特性影响的实验研究63-65
• 4.4.2 外接电阻对俘能器俘能特性影响的实验研究65-66
• 4.4.3 俘能器尺寸对俘能特性影响的实验研究66-67
• 4.4.4 圆柱质量对俘能器俘能特性影响的实验研究67-68
• 4.5 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-77
• 致谢77

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本文编号：741741