基于圆柱涡激振动压电梁水下俘能特性研究

发布时间：2017-10-26 00:01

  本文关键词：基于圆柱涡激振动压电梁水下俘能特性研究

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【摘要】：流体流过非流线型物体时,一定条件下会在物体两侧周期性地脱落出旋向相反、排列规则的漩涡,漩涡的反作用力可使压电梁随着非流线型物体产生大摆幅振动。压电振子可利用这种持续性压强波动输出电能。本文基于涡激振动理论,提出一种双圆柱-压电振子俘能装置(双圆柱系统),推导出其动力学方程,结合数值分析、ANSYS模态分析、实验研究三种方法,探索其动力学规律与压电俘能特性,优化俘能模型,以获得较大的能量输出。采用能量等效的方法,求出质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵与力矩阵,推导双圆柱系统动力学方程。将压电作用力等效成压电阻尼,融合到阻尼矩阵中;利用微元法,求出圆柱绕流产生的漩涡对梁与圆柱的作用力。使用拉格朗日方程,将力的作用点等效到两个圆柱的中心。建立仿真模型,对典型的双圆柱系统进行模态分析,阐述实现一阶固有频率共振的合理性。基于双圆柱系统动力学方程,结合数值分析、仿真分析、实验分析的方法,得到圆柱直径影响双圆柱系统振动特性,探究流速与压电梁长度一定时,圆柱长度与圆柱直径的变化对系统共振的影响。推导最优电阻的计算方程,从理论与实验上验证最优电阻计算的正确性,在此基础上探究圆柱直径和流速对最优电阻的影响。提出双圆柱系统理想模型设计流程,针对不同流速的流体,设计该流速条件下俘能性能较好的双圆柱系统。用粘涂硅胶的方法解决实验条件下压电梁水下俘能的绝缘问题。采用控制变量法,将双圆柱与单圆柱俘能装置的俘能性能进行实验对比,分析双圆柱相对于单圆柱水下俘能的优势。
【关键词】：双圆柱系统 压电振子 水下俘能 涡激振动
【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】：2015
【分类号】：TM612
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 引言8
• 1.2 研究目的与意义8-9
• 1.3 国内外研究现状9-15
• 1.3.1 涡激振动理论及研究现状9-11
• 1.3.2 基于圆柱涡激振动压电俘能技术研究现状11-13
• 1.3.3 当前研究中存在的问题13-15
• 1.4 课题研究内容15-17
• 第2章 双圆柱-压电梁俘能系统数学建模17-34
• 2.1 引言17
• 2.2 双圆柱系统动力学方程推导17-33
• 2.2.1 刚度矩阵19-22
• 2.2.2 阻尼矩阵22-28
• 2.2.3 质量矩阵28-30
• 2.2.4 流体力分析30-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第3章 双圆柱压电俘能系统动力学仿真及分析34-46
• 3.1 引言34
• 3.2 双圆柱系统模态分析34-41
• 3.2.1 圆柱直径对双圆柱系统固有频率的影响36-39
• 3.2.2 圆柱长度对双圆柱系统固有频率影响39
• 3.2.3 MFC压电梁长度对系统固有频率影响39-41
• 3.3 流体中共振实现41-45
• 3.3.1 流体流速对双圆柱系统运动影响42-43
• 3.3.2 圆柱直径对双圆柱系统运动影响43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 双圆柱压电俘能系统的环境适应性及俘能效果分析46-54
• 4.1 引言46
• 4.2 最优电阻的分析46-49
• 4.3 各流速下俘能效果分析49-53
• 4.3.1 圆柱直径选择49-50
• 4.3.2 不同流速下俘能模型设计50-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 双圆柱压电俘能系统水下俘能实验研究54-65
• 5.1 引言54
• 5.2 实验平台搭建54-57
• 5.2.1 压电俘能平台设计54-55
• 5.2.2 双圆柱俘能装置设计55-57
• 5.2.3 流速的测量57
• 5.3 单双圆柱系统俘能特性对比实验研究57-63
• 5.3.1 不同长度双圆柱系统俘能性能对比57-60
• 5.3.2 前后两段压电梁的俘能性能对比60-62
• 5.3.3 单双圆柱压电梁俘能性能对比62-63
• 5.4 本章小结63-65
• 结论65-67
• 参考文献67-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果72-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 褚金奎;杜小振;朴相镐;;压电发电微电源国外研究进展[J];压电与声光;2008年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 郭宇;深海立管涡激振动的大涡模拟与涡振疲劳累积损伤分析[D];哈尔滨工业大学;2012年

2 刘博;柔性压电振子水下俘能特性研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

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本文编号：1096078