基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟

为了分析基于涡致振动的内置双晶压电悬臂梁柔性圆管压电能量收集结构的运动机理和性能,对其进行了流固耦合和压电耦合数值模拟。对一端固定一端自由的柔性圆管进行了流固耦合数值模拟,在流速为1.1 m/s,柔性圆管直径D为0.03 m,高度为0.11 m时,该结构的涡致振动能够处于稳定的锁频状态。对折合速度为1.3～4.0,中心距为3D～6D的前置等径刚性圆柱阻流体的柔性圆管进行了流固耦合和压电耦合的数值模拟。研究结果表明,柔性圆管的振幅响应和压电悬臂梁的开路输出电压均随折合速度的增大而增大,在仿真参数范围内,结构的振幅响应和输出电压时程曲线均为稳定的周期函数。当折合流速为4.0,中心距为5D时,结构产生的振幅最大,为2.38×10~(-3) m,电压为6.75 V。证明了根据不同流速,可以通过调节圆管的结构参数以使涡致振动产生锁频现象,从而得到最大振幅和输出电压,进而可将其用于电能收集,为下一步能量收集结构的实验制备提供了理论参考。     

低雷诺数下流致振动能量收集模拟研究

利用流致振动现象进行能量收集作为一种新的获能方式,具有无污染、获能效率高、对工作环境适应性强等优点.通过在刚性阻流体后方的涡流场中设置压电悬臂梁来俘获流致振动能量,运用流固耦合算法,对低雷诺数下基于流致振动的能量收集进行了数值模拟,研究了阻流体截面形状、压电悬臂梁-阻流体间距以及悬臂梁长度等因素对压电悬臂梁俘能效率的影响,定量分析了压电悬臂梁的获能大小、振动幅度和频率,通过分析不同工况下压电悬臂梁的振动特性和流场的特征,揭示了流致振动俘能的力学机理.     

一种磁耦合的M形非线性压电振动能量收集装置

针对压电振动能量收集装置在低频范围内工作频带较窄的问题,设计了一种磁耦合的M形非线性压电振动能量收集装置(MEH),建立了MEH的等效机电耦合模型。仿真分析了MEH的输出响应,实验验证了仿真的正确性。研究结果表明,外部非线性磁斥力的耦合作用能够拓宽能量收集装置的工作频带,在0.5 g加速度激励下,工作频带相较于原有无磁耦合装置提升28%。     

一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置

研究了一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置,从理论上分析了该能量收集装置输出开路电压与悬臂梁尖端位移的关系;利用等效电路,分析了负载输出功率与负载电阻的关系,得出了最大输出功率的负载条件.搭建了一套测量系统,以实现对悬臂梁尖端位移和能量收集装置输出电压的测量,得到了能量收集装置随外界振动频率及振动幅度变化的输出特性曲线,并与单梁结构的能量收集装置结果进行了比较.实验结果表明,相比于单悬臂梁结构,基于碰撞的压电宽频能量收集装置能有效地拓宽工作频率范围,实现了宽频能量的收集.     

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进．为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式．通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．     

基于压电螺旋梁的地铁浮置板振动能量收集装置

为解决地铁轨道中振动能量的收集问题,根据钢弹簧浮置板的固有频率,设计了一种基于压电螺旋梁的振动能量收集装置.通过有限元仿真和数字图像相关法试验验证了该装置与钢弹簧浮置板的固有频率匹配情况,并利用扫频试验和落轴试验证明该装置具有振动能量收集能力.研究结果表明,在1～100 Hz范围进行扫频试验,在压电螺旋梁振动能量收集装置共振频率点处,压电片可产生13 V的开路电压,并点亮15个额定电压为1.5 V的发光二极管,落轴试验在落轴高度为20 mm处压电片可产生6 V的开路电压,并点亮10个额定电压为1.5 V的发光二极管,验证了该装置可实现地铁轨道中振动能量的收集,并为低功耗微型传感器供电.     

新型双方向压电振动能量收集装置的设计与仿真

为了获取空间内各个方向的振动能量,设计了一种新型双方向压电振动能量收集装置,在非线性压电能量收集装置的基础上,通过悬臂梁z方向振动和磁性滚筒x方向的振动以及绕x方向的摇摆来获取多方向的振动能量。利用ANSYS对该模型建模与仿真得到瞬态分析下的系统输出电压与激励频率的对应关系,发现新型压电振动能量收集装置不仅降低了系统的共振频率,而且系统的有效响应频带拓宽了210%。     

悬臂梁压电发电机的基频谐振频率与功率

为了消除悬臂梁振动压电发电机的Roundy理论模型因未考虑质量块长度而带来的误差,在考虑质量块长度的前提下,以质量块质心作用于悬臂梁处的挠度为自由度,建立了悬臂梁振动压电发电机的模型,并得到了基频谐振频率、输出电压和输出功率的理论表达式.数值仿真表明:当质量块长度与悬臂梁长度接近时,该模型与Roundy模型之间的偏差较...     

悬臂梁双压电振动能量采集器发电性能研究

为了收集环境中的振动能量,实现无线传感器网络节点等低能耗器件的自供电,针对电动机的机械振动,设计了一种可采集电动机振动能量的压电振动能量采集器。研究了电动机转速、负载阻值和悬臂梁自由端固定不同质量永磁铁块对压电振动能量采集器输出电压和输出功率的影响。实验结果表明,负载上电压随着负载阻值的增大而增大;输出功率不随负载阻值和所加永磁铁质量的增大,而是存在一个最优负载和一个最佳质量的永磁铁,当电动机的振动频率等于悬臂梁双压电振子的固有频率时,输出功率达到最大,并与理论计算值接近。     

悬臂梁压电振子频率调谐和发电能力研究

研究了一种带末端质量块的悬臂梁压电振子的频率调谐能力。理论分析了悬臂梁压电振子的结构尺寸对压电振子谐振频率和发电能力的影响关系,并分别对长度调谐和质量调谐前后的压电振子发电能力进行实验测试和对比分析。结果表明,增加悬臂长度或末端质量可以降低压电振子的谐振频率,减少悬臂长度或末端质量可以提高压电振子的谐振频率,但为达到更好的发电效果,降频调谐时,应该采用质量调谐法提高压电振子的输出功率,而升频调谐时．应该采用长度调谐法提高压电振子的输出功率．     

悬臂梁双晶压电能量采集装置的实验探究

为提高双晶压电振子的发电能力,探究了一种悬臂梁式双晶压电能量采集装置的发电性能。实验研究了振动台频率、激励位移、负载阻值和悬臂梁自由端质量块对悬臂梁式双晶压电能量采集装置输出电压和负载功率的影响,将两片双晶压电振子并联,探究了它们的发电性能。实验表明,存在谐振频率,使得输出电压最大;输出电压随着激励位移和负载阻值的增大而增大,并与激励位移呈一次函数关系;双晶压电振子外接匹配负载时,负载功率最大;随着质量块的质量在一定程度上的增加,输出电压随频率变化的曲线左移,峰值电压对应的频率变小;两片双晶压电振子并联且带匹配负载时,能有效提高负载功率。     

压电陶瓷用于柔性悬臂梁振动控制的试验研究

依据压电陶瓷驱动器的振动控制原理和梁表面的应变方程确定压电陶瓷片在悬臂梁上的粘贴位置,采用独立模态控制方法对柔性悬臂梁进行振动主动控制试验研究.为提高信噪比并保证后继控制的可靠性和有效性,对传感信号进行了滤波处理.试验结果表明,将压电陶瓷片布置在悬臂梁的合理位置上并采用主动控制方法,可以有效地抑制悬臂梁的振动,使悬臂梁前3阶模态的加速度及响应谱峰值均减小40%左右.     

基于多尺度法的预载压电梁俘能特性

低频、宽带和可调频一直是衡量压电能量采集器性能的重要指标,施加轴向预载是改善这些重要指标的有效措施。为了更好地揭示预载对俘能特性的影响,基于欧拉-伯努利梁理论和高斯定理,推导了预载压电梁的力电耦合方程,使用伽辽金离散和多尺度法,得到了位移、电压和平均输出功率的渐进解析解;同时通过理论分析,给出了短路开路谐振频率、开路电压幅值、最优输出功率和最优电阻的具体表达式。然后,针对悬臂梁模型,结合数值模拟验证了文中理论的有效性,之后进一步分析探究了预载对开路电压和最优输出功率的影响。结果表明：施加轴向预载可以提高压电悬臂梁的俘能效率,相较于无预载情况,预载20N时,谐振频率降低31.6%,开路电压幅值增加120.8%,最优输出功率增加40.0%。     

压电智能材料在悬臂梁结构振动控制中的应用

研究压电材料在柔性悬臂梁结构振动控制中的应用,采用压电有限元方法对压电智能梁的响应进行了数值模拟,在考虑压电片与悬臂梁之间相互耦合作用的基础上,通过有限元软件ABAQUS数值模拟获得压电智能梁在简谐荷载下的响应,并与有关试验结果进行对比来修正压电应变常数及介电常数等参数.通过数值算例对地震荷载作用下压电梁的振动响应进行了数值模拟,结果表明,压电材料对柔性结构的振动控制效果显著,最大控制效率能达到45%左右.     

悬臂梁压电俘能器结构设计与电学性能有限元分析

为探明压电俘能器结构参数和不同压电材料对其电学输出性能的影响,基于压电效应,运用有限元仿真分析方法,采用COMSOL Multiphysics软件中的结构力学模块和AC/DC模块,建立悬臂梁压电俘能器初始结构模型,并对使用不同压电材料的俘能器进行电学输出性能分析。研究结果表明:根据汽车在路面行驶的速度,得出路面振动频率为6.67～13.33 Hz,不超过20 Hz。路面振动频率为0～18 Hz时使用PZT-5H的俘能器电学输出性能较高,路面振动频率为19～20 Hz时使用PZT-5A的俘能器电学输出性能较好,根据路面实际振动频率范围建议选用PZT-5H; 根据电学性能输出效果,对初始俘能器进行结构优化,得到优化后的结构参数[支撑结构尺寸(长×宽×高)为(1×20×1)mm³、压电材料尺寸为(30×20×0.06)mm³、金属基板尺寸为(30×20×0.1)mm³、质量块尺寸为(4×20×1)mm³]; 振动频率为10 Hz、振动加速度为1g条件下,计算得到悬臂梁压电俘能器的最佳外接负载为35 kΩ,对应的输出电压为0.30 V、输出功率为1.24×10^-6 W,相对于优化前的俘能器输出电压(0.19 V)和输出功率(0.22×10^-6 W)分别提升了58%和463%; 对悬臂梁压电俘能器进行特征频率分析,计算得到其1阶特征频率为76.9 Hz; 而悬臂梁压电俘能器在频率为0～20 Hz工作时,输出电压和输出功率均随着路面振动频率增加而增加; 此时路面振动频率远离1阶特征频率,不会对使用寿命产生影响,证明所设计的俘能器模型在路面振动频率范围内使用是合理的。     

孔板诱发管道振动的关键影响因素研究

基于计算流体力学（CFD）数值模拟与无量纲的分析方法,结合时均化的Realizable k-ε湍流模型与瞬态的LES湍流模型,进行了孔板诱发管道振动的性能分析与关键影响因素的无量纲分析。结果表明：孔板对流场的扰动主要体现在孔板下游,且扰动大小主要受无量纲参数雷诺数、孔径比的影响;随着雷诺数的增加,管道振动增大,但增幅在减小;管道振动与孔径比之间存在负相关关系。