附磁圆柱绕流压电俘能器有限元仿真与实验研究

发布时间：2020-05-07 21:54

【摘要】：压电振动俘能器是基于压电效应把环境中的振动能转化成电能,具有能量密度高、响应快、寿命长、无污染、结构简单且易于集成到微电子系统等优点,可为微电子、MEMS和微传感器等低功率电子产品供能,是目前动力学与控制学科研究的热点方向之一。流致振动压电俘能器通过结构在流体中由流固耦合作用而产生振动并进一步利用压电效应实现能量转换,是一种流-固-电耦合系统。如何提高其能量转换效率和环境的适应性,俘能器结构的动力学特性分析是关键所在。本论文根据流致振动相关理论和目前基础振动压电俘能器研究基础,设计一种新型流致振动附磁压电俘能器。基于绕流体涡激振动原理和压电效应采集电能,通过振动理论和实验分析俘能器振动频率影响参数;利用有限元仿真模拟压电俘能器外流场特性以及流场对压电俘能器的影响;通过实验研究压电俘能器能量采集性能的影响。论文的研究内容主要包括以下三个部分(1)附磁压电俘能器的固有频率分析:利用机械振动理论计算俘能器结果固有频率,分析基层长度和绕流体质量对俘能器系统固有频率的影响规律;利用涡激脱落理论计算流致振动涡激频率,分析不同流速与绕流体直径对俘能器振动频率的影响;通过对附磁压电俘能器进行扫频实验研究,分析磁间距与磁极布置对压电俘能器固有频率的影响。(2)附磁压电俘能器的流固耦合有限元仿真分析:在流场中,结构受到流场激励产生振动并对流场的流速分布、旋涡分布以及压力分布等产生影响,该部分内容主要研究俘能器结构的流致振动响应,利用有限元仿真分析俘能器在不同流速中的位移、应变、应力、输出电压以及电场强度等规律。(3)附磁压电俘能器能量采集特性的实验研究:搭建附磁圆柱绕流压电俘能器水下能量采集特性研究的实验系统并介绍实验平台、实验夹具以及实验构件等;针对圆柱形绕流体结构,分析流速、磁间距、磁极以及压电层长度对压电俘能器俘能效果的影响;对比分析圆形截面绕流体与方形截面绕流体、D形后圆截面绕流体的压电俘能器在水中的俘能效果的差异;有限元与实验对比分析不同倒圆角绕流体的压电俘能器俘能特性;分析D形绕流体的前圆截面与后圆截面对压电俘能器的影响。
【图文】：

系统发展,压电

北京工业大学工程硕士专业学位论文Bernoulli 梁假设的悬臂式压电俘能器的解析解，，在力率阻尼和空气阻尼。2009 年，他们分析并实验验证结构的稳态响应[19]。同年他们研究发现了分段电极。同时验证了过高的末端质量具有一定的副作用[20]。200010000电系统变压器

压电,线性

1.510.421.451.41.180.60.310.240.16功率密度（mWcm-3）频谐振直悬臂梁质量的2D悬臂梁优化结构设计二氧化硅压电层NaNbO3纳米纤维磁压电混合模式AIN陶瓷材料型梁-质量块结构电片的固有频率图 1-3 2005 年-2014 年压电系统发展.1-3 Development of piezoelectric system from 2005 to 激励压电俘能器研究现状础激励压电俘能器仅在基础激励频率达到俘能振时，输出功率达到最大值。激励频率低于固能器能量转换效率极低。如图 1-4 所示线性压21]。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM619

【参考文献】