基于仿生结构的微型压电风能收集装置研究
发布时间：2022-04-23 11:11
压电风能收集能够将环境中的风能转换为可供使用的电能,本文从几种典型植物叶片叶脉结构获得启发,利用仿生脉序生长法对压电元件进行了仿生优化,并从不同种类的叶片仿生原型中探究一种在气动弹性失稳条件下风能能量收集效果较好的仿生结构。本文通过研究压电装置的输出开路电压、输出功率等参数来分析其能量收集能力,并探究优化后的压电元件在实际工程应用中的可能性。本文主要研究工作如下:阐述了利用风能的微型仿生能量收集装置的基本结构、工作形式及工作环境,决定采用圆柱绕流涡激振动的方法进行压电能量收集。并参考实际算例决定采用仿生脉序生长法进行加强筋的布置。之后对涡街对压电元件作用力进行估算,并利用有限元分析软件进行了确定工况下输出开路电压理论值的计算,并且将结果同试验结果进行比对,证明这种优化后的算法能够实际应用。以输出开路电压为参考指标研究不同优化结构压电元件的能量收集能力。首先,验证了布置仿生加强筋相比于布置传统正交筋及未布置加强筋压电元件的能量收集能力。对于相同几何形状的压电元件,布置仿生筋的压电元件最高开路输出电压有显著提高。并通过对比实验结果同数值结果证明了数值计算结果的有效性。然后,验证了布置不同叶...
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.2 压电能量收集装置研究现状
1.3 涡激振动理论研究现状
1.4 叶片仿生理论研究现状
1.5 本论文主要研究内容及章节安排
第2章 基于叶片仿生结构的微型压电装置结构优化方法
2.1 仿生微型压电装置的设计来源
2.2 仿生压电元件同双子叶植物叶片的相似性
2.2.1 结构相似性
2.2.2 载荷相似性
2.2.3 功能相似性
2.3 仿生压电元件的加强筋设计方法
2.4 微型仿生风能压电能量收集装置结构设计
2.5 本章小结
第3章 仿生压电元件在流场中的力学性能研究
3.1 仿生压电元件在流场中的受力分析
3.1.1 圆柱体绕流
3.1.2 卡门涡街
3.2 压电元件在流场中的的受力分析
3.3 仿生压电元件的机电模型
3.3.1 压电效应
3.3.2 单自由度机电耦合方程
3.4 压电元件的仿真分析
3.4.1 压电元件的有限元分析法
3.4.2 算例分析
3.5 本章小结
第4章 不同优化结构压电元件输出电压试验研究
4.1 实验系统
4.1.1 小型风洞装置及风速测量装置
4.1.2 压电元件及固定装置
4.1.3 试验结果测量装置
4.2 微型仿生压电元件优化实验
4.2.1 压电元件结构
4.2.2 试验方案
4.2.3 试验结果分析
4.2.4 试验误差分析
4.3 不同原型微型仿生压电元件试验
4.3.1 压电元件结构
4.3.2 试验方案
4.3.3 试验结果分析
4.4 本章小结
第5章 仿生压电元件能量输出能力研究
5.1 输出功率试验
5.1.1 试验系统
5.1.2 试验方案
5.1.3 试验结果分析
5.2 电容充放电试验
5.2.1 试验系统
5.2.2 试验方案
5.2.3 试验结果分析
5.3 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节[J]. 赵兴强,温志渝. 压电与声光. 2013(02)
[2]基于PVDF压电片发电的特性研究[J]. 毛芹,王涛,郝鹏飞,王军政. 北京理工大学学报. 2012(11)
[3]基于蜻蜓膜翅结构的飞机加强框的仿生设计[J]. 马建峰,陈五一,赵岭,赵大海. 航空学报. 2009(03)
[4]压电结构有限元分析的动向[J]. 王占军,周建方. 河海大学常州分校学报. 2002(04)
[5]介绍双子叶植物叶结构分类术语[J]. 孙启高,宋书银,王宇飞,李承森. 植物分类学报. 1997(03)
博士论文
[1]蒲公英状多方向宽频带压电振动能量采集研究[D]. 侯志伟.南京航空航天大学 2013
[2]薄板结构加筋布局的脉序生长算法研究[D]. 李永欣.哈尔滨工程大学 2012
[3]柔性体与流体耦合运动的数值模拟和实验研究[D]. 王思莹.中国科学技术大学 2010
硕士论文
[1]仿生多孔植物叶片超疏水表面制备与性能研究[D]. 从虔.大连理工大学 2016
[2]薄壁板气动弹性非线性振动的压电俘能研究[D]. 陈丹鹏.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于钝体绕流的压电发电模型研究[D]. 高秀.东南大学 2015
[4]仿生加筋板结构优化与隔声性能研究[D]. 李媛媛.哈尔滨工程大学 2015
[5]利用压电材料的振动能量收集及半主动控制研究[D]. 赵亚平.南京航空航天大学 2014
[6]新型分形结构及其电子器件微通道散热应用研究[D]. 田玉福.华南理工大学 2013
[7]植物叶片拓扑结构与其力学性能关系研究[D]. 刘希凤.华南理工大学 2010
本文编号：3647057
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
1.2 压电能量收集装置研究现状
1.3 涡激振动理论研究现状
1.4 叶片仿生理论研究现状
1.5 本论文主要研究内容及章节安排
第2章 基于叶片仿生结构的微型压电装置结构优化方法
2.1 仿生微型压电装置的设计来源
2.2 仿生压电元件同双子叶植物叶片的相似性
2.2.1 结构相似性
2.2.2 载荷相似性
2.2.3 功能相似性
2.3 仿生压电元件的加强筋设计方法
2.4 微型仿生风能压电能量收集装置结构设计
2.5 本章小结
第3章 仿生压电元件在流场中的力学性能研究
3.1 仿生压电元件在流场中的受力分析
3.1.1 圆柱体绕流
3.1.2 卡门涡街
3.2 压电元件在流场中的的受力分析
3.3 仿生压电元件的机电模型
3.3.1 压电效应
3.3.2 单自由度机电耦合方程
3.4 压电元件的仿真分析
3.4.1 压电元件的有限元分析法
3.4.2 算例分析
3.5 本章小结
第4章 不同优化结构压电元件输出电压试验研究
4.1 实验系统
4.1.1 小型风洞装置及风速测量装置
4.1.2 压电元件及固定装置
4.1.3 试验结果测量装置
4.2 微型仿生压电元件优化实验
4.2.1 压电元件结构
4.2.2 试验方案
4.2.3 试验结果分析
4.2.4 试验误差分析
4.3 不同原型微型仿生压电元件试验
4.3.1 压电元件结构
4.3.2 试验方案
4.3.3 试验结果分析
4.4 本章小结
第5章 仿生压电元件能量输出能力研究
5.1 输出功率试验
5.1.1 试验系统
5.1.2 试验方案
5.1.3 试验结果分析
5.2 电容充放电试验
5.2.1 试验系统
5.2.2 试验方案
5.2.3 试验结果分析
5.3 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节[J]. 赵兴强,温志渝. 压电与声光. 2013(02)
[2]基于PVDF压电片发电的特性研究[J]. 毛芹,王涛,郝鹏飞,王军政. 北京理工大学学报. 2012(11)
[3]基于蜻蜓膜翅结构的飞机加强框的仿生设计[J]. 马建峰,陈五一,赵岭,赵大海. 航空学报. 2009(03)
[4]压电结构有限元分析的动向[J]. 王占军,周建方. 河海大学常州分校学报. 2002(04)
[5]介绍双子叶植物叶结构分类术语[J]. 孙启高,宋书银,王宇飞,李承森. 植物分类学报. 1997(03)
博士论文
[1]蒲公英状多方向宽频带压电振动能量采集研究[D]. 侯志伟.南京航空航天大学 2013
[2]薄板结构加筋布局的脉序生长算法研究[D]. 李永欣.哈尔滨工程大学 2012
[3]柔性体与流体耦合运动的数值模拟和实验研究[D]. 王思莹.中国科学技术大学 2010
硕士论文
[1]仿生多孔植物叶片超疏水表面制备与性能研究[D]. 从虔.大连理工大学 2016
[2]薄壁板气动弹性非线性振动的压电俘能研究[D]. 陈丹鹏.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于钝体绕流的压电发电模型研究[D]. 高秀.东南大学 2015
[4]仿生加筋板结构优化与隔声性能研究[D]. 李媛媛.哈尔滨工程大学 2015
[5]利用压电材料的振动能量收集及半主动控制研究[D]. 赵亚平.南京航空航天大学 2014
[6]新型分形结构及其电子器件微通道散热应用研究[D]. 田玉福.华南理工大学 2013
[7]植物叶片拓扑结构与其力学性能关系研究[D]. 刘希凤.华南理工大学 2010
本文编号：3647057
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