双稳态悬臂梁压电能量采集结构的发电特性与非线性动力学研究

发布时间：2017-09-11 03:41

  本文关键词：双稳态悬臂梁压电能量采集结构的发电特性与非线性动力学研究

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【摘要】：随着科技的进步以及人们对于生存环境的逐渐重视,针对新能源技术的研究成为了众多科研工作者的研究热点,基于压电效应的振动能量采集技术作为新能源领域的一大亮点近年来备受关注。压电能量采集技术具有响应快、无污染、寿命长、结构简单且易于组装等优点。该项技术集合了机械、力学、材料、电子等众多学科的知识,为交叉性研究领域。本课题以双稳态悬臂梁结构压电能源采集器为研究对象,分析其发电效应与非线性动力学特性。本文既有理论研究也进行了实验研究,将双稳态压电悬臂梁与单稳态结构的发电能力进行对比,分析其发电的优势。基于传统的双稳态压电悬臂梁模型,设计了一系列的优化模型,对各优化模型进行压电发电分析。对传统双稳态压电悬臂梁进行发电特性与非线性动力学实验研究。推导传统双稳态压电悬臂梁机电耦合方程,分析其发电特性与动力学响应,与实验结果进行对比分析。对优化结构中发电效果较好的纵向辅磁双稳态压电悬臂梁模型进行发电特性与非线性动力学实验研究。推导纵向辅磁双稳态压电悬臂梁模型的动力学方程,数值分析,研究发电特性与动力学响应,将实验结果与理论结果对比分析。论文的研究内容分为以下几部分。(1)比较双稳态与单稳态压电悬臂梁发电能力的强弱,基于传统双稳态压电悬臂梁模型建立一系列优化模型,比较不同优化模型的压电发电能力。(2)对传统双稳态压电悬臂梁进行动力学实验研究。分析系统的刚度特性,利用位移的正向和逆向扫频,研究系统的软硬弹簧特性。进行动力学行为分析,研究外激励、磁铁之间的距离对于系统动力学行为的影响。(3)考虑曲率非线性以及磁力非线性,应用Hamilton原理建立传统双稳态压电悬臂梁的动力学方程。分析了系统的应变能。对动力学方程进行数值模拟,分析了分叉图、时间历程图、相图、幅值谱和Poincare截面图,分别研究了外激励振幅、外激励频率、阻尼系数及压电参数等参数对系统动力学特性的影响。(4)对纵向辅磁双稳态压电悬臂梁进行动力学实验研究。分析系统的刚度特性,利用位移的正向和逆向扫频,研究系统的软硬弹簧特性。进行动力学行为分析,研究外激励、主磁铁之间的距离、主磁铁与辅助磁铁之间的距离对于系统动力学行为的影响。(5)考虑曲率非线性、磁力非线性以及惯性非线性,考虑梁的弯曲变形引起的缩回,考虑磁铁转动引起的缩回。应用Hamilton原理建立纵向辅磁双稳态压电悬臂梁的动力学方程。分析系统的应变能。对动力学方程进行数值模拟,分析分叉图、时间历程图、相图和幅值谱,分别研究了外激励振幅、外激励频率以及阻尼系数对系统动力学特性的影响。
【关键词】：双稳态压电悬臂梁 优化结构 非线性动力学 发电能力 辅助磁力
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 引言10-14
• 1.1.1 能量采集器介绍10-11
• 1.1.2 压电悬臂梁结构11
• 1.1.3 压电发电原理11-12
• 1.1.4 压电材料12-14
• 1.2 压电能源采集器的国内外研究现状14-22
• 1.2.1 双稳态悬臂梁压电能量采集结构的研究现状14-16
• 1.2.2 压电能量采集结构的发电特性与非线性动力学研究现状16-18
• 1.2.3 其它压电能量采集器结构的研究现状18-20
• 1.2.4 压电能量采集结构的实验研究现状20-22
• 1.3 压电能源采集器的国内外研究现状分析22-23
• 1.4 课题主要内容23-26
• 1.4.1 课题来源23
• 1.4.2 课题研究内容23-26
• 第2章 双稳态压电悬臂梁及其优化结构的压电效应研究26-48
• 2.1 引言26
• 2.2 实验介绍26-31
• 2.2.1 实验原理与设备26-27
• 2.2.2 实验软件介绍27-29
• 2.2.3 实验材料介绍29
• 2.2.4 实验夹具设计29-31
• 2.3 单稳态压电梁与双稳态压电梁发电性能的比较31-32
• 2.4 传统双稳态模型压电性能实验研究32-36
• 2.5 双稳态压电悬臂梁优化结构的建立及其发电特性研究36-47
• 2.5.1 纵向辅磁双稳态模型压电性能的实验研究36-41
• 2.5.2 横向辅磁双稳态模型压电性能的实验研究41-42
• 2.5.3 单侧辅磁双稳态模型压电性能的实验研究42-44
• 2.5.4 层间局部分离双稳态模型压电性能的实验研究44-47
• 2.6 本章小结47-48
• 第3章 传统双稳态压电悬臂梁复杂非线性动力学行为实验研究48-70
• 3.1 引言48
• 3.2 系统刚度特性实验48-50
• 3.3 传统双稳态压电悬臂梁动力学行为实验结果50-68
• 3.3.1 磁间距对动力学行为的影响50-55
• 3.3.2 激励幅值对动力学行为的影响55-63
• 3.3.3 梁的尺寸参数对于动力学行为的影响63-68
• 3.4 本章小结68-70
• 第4章 传统双稳态压电悬臂梁动力学模型的建立及其数值分析70-86
• 4.1 引言70
• 4.2 双稳态Euler-Bernoulli压电悬臂梁动力学建模70-77
• 4.3 传统双稳态压电悬臂梁应变能分析77-78
• 4.4 传统双稳态压电悬臂梁动力学与电学响应分析78-84
• 4.5 本章小结84-86
• 第5章 纵向辅磁双稳态压电悬臂梁复杂非线性动力学行为实验研究86-102
• 5.1 引言86
• 5.2 系统刚度特性实验86-88
• 5.3 纵向辅磁双稳态压电悬臂梁动力学行为分析88-100
• 5.3.1 主磁间距对纵向辅磁双稳态压电悬臂梁振动特性的影响88-90
• 5.3.2 主辅磁间距对纵向辅磁双稳态压电悬臂梁振动特性的影响90-96
• 5.3.3 逆向扫频时纵向辅磁双稳态压电悬臂梁振动特性情况96-100
• 5.4 本章小结100-102
• 第6章 纵向辅磁双稳态压电悬臂梁动力学模型的建立及其数值分析102-122
• 6.1 引言102
• 6.2 纵向辅磁双稳态Euler-Bernoulli压电悬臂梁动力学建模102-111
• 6.3 纵向辅磁双稳态压电悬臂梁应变能分析111-112
• 6.4 纵向辅磁双稳态压电悬臂梁动力学与电学响应分析112-121
• 6.5 本章小结121-122
• 结论122-124
• 参考文献124-130
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果130-132
• 致谢132

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本文编号：828451