近年來,為緩解能源緊缺加上MEMS等的發(fā)展,許多學者將目光投入到基于壓電材料的正壓電效應的壓電俘能上來。環(huán)境振動俘能通常有頻率多變的特點,因此拓寬壓電俘能器的頻帶是一項研究熱點,引入磁力帶來非線性是可采取的調(diào)頻手段之一,因此本文設計了一套水流環(huán)境中的,基于流致振動原理的磁力作用下的非線性壓電俘能器,通過永磁鐵間的磁力作用為系統(tǒng)調(diào)頻提供基礎。首先本文建立了磁力非線性俘能系統(tǒng)輸出特性的數(shù)學模型,將系統(tǒng)模型參數(shù)分為俘能器結構參數(shù)和磁力參數(shù)兩部分,運用等效原理求解了系統(tǒng)各等效結構參數(shù),同時建立了磁鐵間的磁勢能模型,確定了所引入的磁力參數(shù)與磁鐵相對位置間的關系。接下來利用建立的數(shù)學模型,數(shù)值分析并結合仿真對比總結了系統(tǒng)的輸出特性。引入的磁力參數(shù)簡化為線性剛度系數(shù)1與非線性剛度系數(shù)2,求解了不同的磁鐵位置參數(shù)下的等效的磁力參數(shù)的變化,確定了數(shù)值分析與仿真所需參數(shù)的取值范圍,根據(jù)1的取值將系統(tǒng)分為硬剛度系統(tǒng)和軟剛度系統(tǒng)。結果表明:1取負值的硬剛度系統(tǒng),起振流速滯后但在高流速時電壓輸出增大,提升效果隨2絕對值的增大而減弱,隨1絕對值的增大而加強,系統(tǒng)的頻帶得到了拓寬,最大拓寬了36%,適合應用在流速較... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

錐形和反向錐形懸臂梁[14]

，降頻以提升輸出。此外學者對懸臂梁應力分布進行了研究，發(fā)現(xiàn)應力集中在根部，影響能量轉(zhuǎn)換。因此很多學者通過對梁的結構進行優(yōu)化來改善應力分布問題，Dietl和Garcia[14]理論分析了變截面梁加質(zhì)量塊的應力分布與振型并和矩形截面梁作對照，為驗證其理論設計了錐形和反向錐形懸臂梁結構的俘能器，如圖1-1所示，研究表明存在最優(yōu)的梁結構使得同源情況下俘能效果最佳。Park等[15]提出了一種基于尖端激勵的壓電俘能器的設計方案，利用仿真軟件耦合分析了壓電材料的機電行為，以此進行優(yōu)化設計，使俘能器輸出性能最優(yōu)化，如圖1-2所示。針對傳統(tǒng)懸臂式壓電俘能器應力分布不均，能量轉(zhuǎn)化率低等問題，Yang等人[16]引入弧形壓電元件設計了一種彎曲結構的壓電俘能器，如圖1-3所示，結果顯示，這種弧型的PEHs諧振頻率低，并且在其工作時應力分布更為均勻。在采用了這種弧形壓電元件后，功率密度獲得200%的提升，能量轉(zhuǎn)換效率則提高了60%。圖1-1錐形和反向錐形懸臂梁[14]圖1-2優(yōu)化設計的梁[15]

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-4-圖1-3弧形壓電梁俘能器[16]壓電俘能器的一個重要指標就是帶寬，即在所受激勵源頻率變動時能有較大輸出的頻率范圍，通常采用3dB帶寬的界定方法。但是由于線性諧振俘能器無法從寬帶或變頻激勵中獲取能量，并且引入非線性后的壓電俘能器在功率輸出和頻帶寬度上均表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能，因此受到更多研究人員關注。研究人員先后探索了單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)和三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)下的非線性壓電俘能[17]。Gael等[18]研究了一種機械非線性較強的單穩(wěn)態(tài)壓電俘能器，如圖1-4所示，研究證明其相對對應的線性系統(tǒng)有明顯的帶寬提升。Masana等[19]針對以前學者研究的非線性結構存在的單雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，設計了一組對比實驗，通過將靜態(tài)軸向的壓縮載荷施加在壓電梁的一端，從而令俘能器的勢函數(shù)發(fā)生變化進而實現(xiàn)單雙穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變，如圖1-5，研究了同種激勵下具有相近諧振頻率的單雙穩(wěn)態(tài)的非線性系統(tǒng)的輸出特性，結果發(fā)現(xiàn)同激勵下勢函數(shù)形態(tài)對輸出響應有很大影響。Stanton等[20]設計了一種磁力作用下的單穩(wěn)態(tài)非線性壓電俘能裝置，如圖1-6所示，通過作為壓電振子的磁鐵和外部磁鐵間的磁力作用引入非線性。在沿壓電梁長度方向改變外部磁鐵與壓電梁上磁鐵相對位置時，能夠得到不同剛度系數(shù)的單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。結果表明，引入磁力非線性的系統(tǒng)可以兼顧更寬頻帶和更高輸出的性能提升。圖1-4單穩(wěn)態(tài)Duffing俘能系統(tǒng)[18]圖1-5通過軸向載荷改變非線性特性[19]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]磁力雙穩(wěn)態(tài)壓電懸臂梁俘能器的非線性振動特性研究[J]. 張宇,汪權.  計算力學學報. 2017(06)
[2]非線性雙穩(wěn)態(tài)壓電俘能系統(tǒng)阱間阱內(nèi)運動諧波分析[J]. 朱培,任興民,秦衛(wèi)陽,周志勇.  機械科學與技術. 2018(02)
[3]風力發(fā)電及其技術發(fā)展綜述[J]. 李軍軍,吳政球,譚勛瓊,陳波.  電力建設. 2011(08)
[4]壓電俘能技術研究現(xiàn)狀綜述[J]. 袁江波,謝濤,單小彪,陳維山.  振動與沖擊. 2009(10)
[5]21世紀中國水電發(fā)展前景展望[J]. 彭程,錢鋼糧.  水力發(fā)電. 2006(02)
[6]壓電材料的發(fā)展及應用[J]. 張傳忠.  壓電與聲光. 1993(03)

碩士論文
[1]基于尾流激振的水下壓電俘能研究[D]. 王藝聰.哈爾濱工業(yè)大學 2019
[2]流體耦合壓電俘能器的研究[D]. 范兆凱.哈爾濱工業(yè)大學 2013



本文編號：3072964