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基于势能函数的双稳态振动能量收集系统响应特性研究

2020-12-08阅读(709)

基于势能函数的双稳态振动能量收集系统响应特性研究

论文摘要

随着微电子设备的低功率化,压电振动能量收集系统作为其自供电电源受到广泛关注。压电振动能量收集系统是基于压电效应原理,当结构受到环境激励时,压电片产生形变而形成可收集的电能。其中,双稳态压电振动能量收集系统具有较宽的低频响应频带以及在一定激励下系统能够进入高能轨道产生大幅周期运动响应,被认为是一种具有实用性的高效能量收集系统。然而系统响应特性受多种因素影响,如何去扩宽系统的低幅值低频激励下的输出响应以及系统如何进入并维持在高能轨道,是目前该类系统能否进入实用阶段的关键。对此,本文从能量的角度,基于欧拉-伯努利梁理论、压电材料本构方程、磁偶极子理论以及拉格朗日方程构建了双稳态压电振动能量收集系统动力学模型,主要采用数值仿真分析的方法,解析了系统势能对系统输出性能的影响,提出了两种改善系统输出性能的结构方法。本文工作内容主要包括以下几个方面:1.综述了国内外关于压电能量收集系统研究现状,并对本文研究内容作了简要概括。3.针对传统双稳态系统,建立了其分布式参数模型;然后通过数值仿真方法,分析了系统中提供非线性力的磁块结构参数（磁块间距和磁块体积）对双稳态系统势能和输出性能的影响规律;3.通过增加外置调节磁块,来实现对系统非线性力因素的调节,建立其数学模型,分析了调节磁块不同放置方案对系统势能函数形状的影响,以及对各系统在不同激励的幅值和频率下输出性能的影响规律。4.使用弹性连接装置与外置磁块相连接构成可变势能的双稳态系统,利用弹性装置的伸缩性,使系统在受迫振动时,结构势能自适应变化,并建立其数学模型,分析该种弹性装置对系统在不同激励条件下影响作用。最后,本文总结相关规律,为双稳态系统的实际应用提供理论参考。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景和意义
  •   1.2 振动能量采集技术
  •     1.2.1 振动能量采集技术概述
  •     1.2.2 压电效应与压电材料
  •   1.3 国内外研究现状
  •     1.3.1 压电振动能量收集系统建模方法的研究现状
  •     1.3.2 压电振动能量收集系统的研究现状
  •   1.4 本文主要内容
  •     1.4.1 课题来源
  •     1.4.2 本文研究内容
  • 第二章 传统双稳态压电能量收集系统建模及实验平台搭建
  •   2.1 引言
  •   2.2 传统双稳态压电能量收集系统动力学模型
  •     2.2.1 拉格朗日函数
  •     2.2.2 系统动能
  •     2.2.3 压电片产生的电能
  •     2.2.4 系统的弹性势能
  •     2.2.5 系统的磁势能
  •     2.2.6 机电耦合动力学方程
  •     2.2.7 无量纲化
  •   2.3 压电振动能量收集实验平台的建立
  •     2.3.1 压电悬臂梁制作
  •     2.3.2 实验夹具设计
  •     2.3.3 实验平台的建立
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 传统双稳态压电能量收集系统输出性能分析
  •   3.1 引言
  •   3.2 传统双稳态系统的势能函数
  •   3.3 传统双稳态压电能量收集系统输出性能仿真分析
  •     3.3.1 线性系统输出性能规律
  •     3.3.2 磁间距对系统输出性能的影响
  •     3.3.3 磁块体积对系统输出性能的影响
  •   3.4 线性收集系统与双稳态收集系统输出性能对比实验
  •     3.4.1 频率响应实验验证
  •     3.4.2 幅值响应实验
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 四磁块双稳态压电振动能量收集系统模型及性能分析
  •   4.1 引言
  •   4.2 四磁块双稳态压电振动能量收集系统模型
  •   4.3 四磁块双稳态压电能量收集系统势能函数
  •   4.4 四磁块双稳态压电能量收集系统性能分析
  •     4.4.1 水平间距为-2mm的系统性能特性
  •     4.4.2 水平间距为-1mm的系统性能特性
  •     4.4.3 水平间距为0mm的系统性能特性
  •     4.4.4 水平间距为1mm的系统性能特性
  •     4.4.5 水平间距为2mm的系统性能特性
  •   4.5 频率响应实验验证
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 弹性连接变势能系统模型及响应特性
  •   5.1 引言
  •   5.2 弹性连接变势能系统模型建模
  •     5.2.1 拉格朗日函数
  •     5.2.2 系统动能
  •     5.2.3 压电片产生的电能
  •     5.2.4 系统的弹性势能
  •     5.2.5 系统的磁势能
  •     5.2.6 机电耦合动力学方程
  •     5.2.7 无量纲化及状态方程
  •   5.3 弹性连接变势能系统势能函数
  •   5.4 弹性连接变势能系统响应特性
  •     5.4.1 给定激励频率ω时的输出性能
  •     5.4.2 给定激励幅值A时的输出性能
  •     5.4.3 不同刚度下的动力学响应
  •   5.5 高斯白噪声下的弹性连接结构动力学分析
  •     5.5.1 高斯白噪声
  •     5.5.2 随机激励下系统的响应特性
  •   5.6 本章小结
  • 第六章 总结和展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间所取得的研究成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 曹亚东

    导师: 李欣欣

    关键词: 压电,双稳态,分布式参数模型,势能,高能轨道,响应特性

    来源: 广西大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 数学,电力工业

    单位: 广西大学

    基金: 广西区自然科学基金面上项目《基于空间非线性力双稳态压电振动能量收集器阱深优化及其自适应调节机制研究》(2018JJA160140),广西制造系统与先进制造技术重点实验室课题《基于空间非线性力双稳态压电振动能量收集器阱深优化及其自适应调节机制研究》(17-259-05S005)

    分类号: TM619;O175

    总页数: 99

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