非线性预加载压电简支梁俘能器的设计与实验研究

发布时间：2020-04-10 14:16

【摘要】：压电振动能量采集器由于结构简单、易于集成、能量密度大和环境适应能力强等优点,在航空航天、生物医疗、野外无人监测、智能穿戴设备等领域具有广阔的的应用前景。而压电振动能量采集器的发展瓶颈之一便是压电阵子最优俘能频率较高和俘能频带过窄,近年来针对环境振动能量俘获的非线性压电俘能技术受到国内外学者广泛关注。其中,预应力调频技术和利用磁力非线性的双稳态俘能技术已经成为该领域的研究热点。本文结合国家自然科学基金项目《压电与形状记忆合金复合型热能发电技术与方法研究》(项目编号:51707081)展开研究,设计了一种非线性预加载压电简支梁俘能器,并建立了系统动力学模型进行数值分析和设计实验进行验证。本文的具体研究内容如下:首先,阐述了这种非线性预加载压电简支梁俘能器的结构构成和工作原理,推导了压电简支梁变形时简支端位移随中心挠度变化几何非线性关系,并进行了ABAQUS仿真和实验验证。接着对压电简支梁和预载弹性梁组成的耦合梁结构总势能变化关系进行了分析,选取了合适的预紧刚度和预紧量区间,结合势能转化关系,分析出这种耦合梁结构换能时的优势。然后,给出了此非线性预加载压电简支梁俘能器系统各部分势能和动能表达式,利用拉格朗日方程推导了其机电耦合方程,进行了压电简支梁受不同预载条件下数值仿真,包括:屈曲前频率特性仿真、临界屈曲压电简支梁输出电压对激励频率和强度的响应仿真、屈曲后预紧量和激励强度作用效果仿真。数值实验发现,压电简支梁屈曲前,弹性梁逐渐施加预载量可以实现压电简支梁共振频率下降,且下降的同时理想俘能带宽增加;压电简支梁临界屈曲时,可以实现超低频和大范围宽频俘能,输出电能远远好于传统线性压电发电结构;压电简支梁屈曲后,当外界激励较强时,可实现局部大范围宽频俘能。最后,制作了非线性预加载压电简支梁俘能器样机,搭建了实验平台,进行了实验。首先测试了压电简支梁在恒定激励速度和恒定加速度下调频俘能效果,两种情况下均可以将压电简支梁最优俘能频率从20Hz降为11Hz,输出理想俘能带宽增加70.8%。当在临界屈曲状态增加激励强度时,可以实现峰值电压提升且理想俘能带宽增加50%。然后,对具有不同刚度弹性梁预紧的压电俘能器进行了激振发电实验。发现增加激振加速度后,临界屈曲和屈曲后压电简支梁输出电压明显提升,且带宽增加明显。例如在1674N/m刚度梁临界预紧条件下,激励强度从5m/s~2增加到10m/s~2,其峰值电压从48V上升至76V(上升58.3%),其理想俘能带宽值从4Hz提升至6Hz(提高50%);在1674N/m预紧刚度弹性梁预紧屈曲后条件下,压电简支梁峰值电压从20V上升至55V(提高了175%),理想俘能带宽从8Hz上升至12Hz(提高了50%)。最后,我们对压电简支梁在无质量块、4.2g质量块、8.4g质量块三种情况下做了不同预紧量调频实验,发现增加质量块有利于在低频下增加理想俘能带宽,但是并不能继续大幅降低最优俘能频率。
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国外利用,发电技术,振动能,增长情况

吉林大学硕士学位论文n Toprak[19]等人调查的国外论文被 Web of Science 收录量来看，压年的论文检索量远远高于其他两项利用环境振动能的发电技术。作008～2017 百度学术中 SCIE、SCI 三种微能源发电论文情况检索论所示），其中压电俘能近十年研究论文量瑶瑶领先电磁发电与静电年来研究的热点。着微电子技术的发展，无线网络传感器节点的功耗需求越来越小[微功耗电子设备功耗很小，无线自供电能源发展技术的发展还是要线传感网络技术的发展速度[21]。所以说，微型自供电能源器件的发联网发展的关键问题。

压电,空气,升频

图 1.2 利用压电发电自供能的空气温湿度监测传感器图 1.3 一种利用自适应原理的升频压电能量采集模块2016 年，英国埃克塞特大学团队 Yang Kuang, Zhihao Yang 和 Meiling Zhu等人[24, 25]提出一种利用膝关节相互运动的压电能量采集器（如图 1.4 所示）。通过磁力的吸引和排斥达到升频的目的。此种植入身体式智能监测医疗设备具有广阔的应用前景，，因为植入式人体医疗健康监测传感器最好一次植入，终生免维护，因此传感器的供能问题是关键，传统化学电池已无法满足寿命要求，此时利用人体运动能量的微型压电俘能器给未来智能医疗带来希望。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH89

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