【摘要】：壓電振動(dòng)能量采集器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成、能量密度大和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、生物醫(yī)療、野外無人監(jiān)測(cè)、智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的的應(yīng)用前景。而壓電振動(dòng)能量采集器的發(fā)展瓶頸之一便是壓電陣子最優(yōu)俘能頻率較高和俘能頻帶過窄,近年來針對(duì)環(huán)境振動(dòng)能量俘獲的非線性壓電俘能技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。其中,預(yù)應(yīng)力調(diào)頻技術(shù)和利用磁力非線性的雙穩(wěn)態(tài)俘能技術(shù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《壓電與形狀記憶合金復(fù)合型熱能發(fā)電技術(shù)與方法研究》(項(xiàng)目編號(hào):51707081)展開研究,設(shè)計(jì)了一種非線性預(yù)加載壓電簡(jiǎn)支梁俘能器,并建立了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值分析和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文的具體研究?jī)?nèi)容如下:首先,闡述了這種非線性預(yù)加載壓電簡(jiǎn)支梁俘能器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和工作原理,推導(dǎo)了壓電簡(jiǎn)支梁變形時(shí)簡(jiǎn)支端位移隨中心撓度變化幾何非線性關(guān)系,并進(jìn)行了ABAQUS仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。接著對(duì)壓電簡(jiǎn)支梁和預(yù)載彈性梁組成的耦合梁結(jié)構(gòu)總勢(shì)能變化關(guān)系進(jìn)行了分析,選取了合適的預(yù)緊剛度和預(yù)緊量區(qū)間,結(jié)合勢(shì)能轉(zhuǎn)化關(guān)系,分析出這種耦合梁結(jié)構(gòu)換能時(shí)的優(yōu)勢(shì)。然后,給出了此非線性預(yù)加載壓電簡(jiǎn)支梁俘能器系統(tǒng)各部分勢(shì)能和動(dòng)能表達(dá)式,利用拉格朗日方程推導(dǎo)了其機(jī)電耦合方程,進(jìn)行了壓電簡(jiǎn)支梁受不同預(yù)載條件下數(shù)值仿真,包括:屈曲前頻率特性仿真、臨界屈曲壓電簡(jiǎn)支梁輸出電壓對(duì)激勵(lì)頻率和強(qiáng)度的響應(yīng)仿真、屈曲后預(yù)緊量和激勵(lì)強(qiáng)度作用效果仿真。數(shù)值實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),壓電簡(jiǎn)支梁屈曲前,彈性梁逐漸施加預(yù)載量可以實(shí)現(xiàn)壓電簡(jiǎn)支梁共振頻率下降,且下降的同時(shí)理想俘能帶寬增加;壓電簡(jiǎn)支梁臨界屈曲時(shí),可以實(shí)現(xiàn)超低頻和大范圍寬頻俘能,輸出電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)線性壓電發(fā)電結(jié)構(gòu);壓電簡(jiǎn)支梁屈曲后,當(dāng)外界激勵(lì)較強(qiáng)時(shí),可實(shí)現(xiàn)局部大范圍寬頻俘能。最后,制作了非線性預(yù)加載壓電簡(jiǎn)支梁俘能器樣機(jī),搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。首先測(cè)試了壓電簡(jiǎn)支梁在恒定激勵(lì)速度和恒定加速度下調(diào)頻俘能效果,兩種情況下均可以將壓電簡(jiǎn)支梁最優(yōu)俘能頻率從20Hz降為11Hz,輸出理想俘能帶寬增加70.8%。當(dāng)在臨界屈曲狀態(tài)增加激勵(lì)強(qiáng)度時(shí),可以實(shí)現(xiàn)峰值電壓提升且理想俘能帶寬增加50%。然后,對(duì)具有不同剛度彈性梁預(yù)緊的壓電俘能器進(jìn)行了激振發(fā)電實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)增加激振加速度后,臨界屈曲和屈曲后壓電簡(jiǎn)支梁輸出電壓明顯提升,且?guī)捲黾用黠@。例如在1674N/m剛度梁臨界預(yù)緊條件下,激勵(lì)強(qiáng)度從5m/s~2增加到10m/s~2,其峰值電壓從48V上升至76V(上升58.3%),其理想俘能帶寬值從4Hz提升至6Hz(提高50%);在1674N/m預(yù)緊剛度彈性梁預(yù)緊屈曲后條件下,壓電簡(jiǎn)支梁峰值電壓從20V上升至55V(提高了175%),理想俘能帶寬從8Hz上升至12Hz(提高了50%)。最后,我們對(duì)壓電簡(jiǎn)支梁在無質(zhì)量塊、4.2g質(zhì)量塊、8.4g質(zhì)量塊三種情況下做了不同預(yù)緊量調(diào)頻實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)增加質(zhì)量塊有利于在低頻下增加理想俘能帶寬,但是并不能繼續(xù)大幅降低最優(yōu)俘能頻率。
【圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文n Toprak[19]等人調(diào)查的國(guó)外論文被 Web of Science 收錄量來看，壓年的論文檢索量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩項(xiàng)利用環(huán)境振動(dòng)能的發(fā)電技術(shù)。作008～2017 百度學(xué)術(shù)中 SCIE、SCI 三種微能源發(fā)電論文情況檢索論所示），其中壓電俘能近十年研究論文量瑤瑤領(lǐng)先電磁發(fā)電與靜電年來研究的熱點(diǎn)。著微電子技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗需求越來越小[微功耗電子設(shè)備功耗很小，無線自供電能源發(fā)展技術(shù)的發(fā)展還是要線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展速度[21]。所以說，微型自供電能源器件的發(fā)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

圖 1.2 利用壓電發(fā)電自供能的空氣溫濕度監(jiān)測(cè)傳感器圖 1.3 一種利用自適應(yīng)原理的升頻壓電能量采集模塊2016 年，英國(guó)�？巳卮髮W(xué)團(tuán)隊(duì) Yang Kuang, Zhihao Yang 和 Meiling Zhu等人[24, 25]提出一種利用膝關(guān)節(jié)相互運(yùn)動(dòng)的壓電能量采集器（如圖 1.4 所示）。通過磁力的吸引和排斥達(dá)到升頻的目的。此種植入身體式智能監(jiān)測(cè)醫(yī)療設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景，，因?yàn)橹踩胧饺梭w醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)傳感器最好一次植入，終生免維護(hù)，因此傳感器的供能問題是關(guān)鍵，傳統(tǒng)化學(xué)電池已無法滿足壽命要求，此時(shí)利用人體運(yùn)動(dòng)能量的微型壓電俘能器給未來智能醫(yī)療帶來希望。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH89

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本文編號(hào)：2622327