一种弹性支撑双稳态压电能量俘获系统的动力学仿真分析

为了揭示双稳态能量俘获系统的复杂动力学行为及现象,针对弹性支撑下具有双稳态的压电悬臂梁能量俘获系统的动力学行为进行研究。首先基于能引发双稳态现象的磁力模型,利用牛顿第二定律以及基尔霍夫第一定律建立了基础作简谐运动时系统的数学模型。其次根据无量纲化后的控制方程,利用罗斯-霍尔维茨判据分析了平衡点的静态分岔。最后,利用Matlab数值仿真得出压电悬臂梁位移以及输出电压随系统参数和激励参数的变化规律和分岔图。结果表明,系统的幅频特性呈现为硬特性,但压电悬臂梁的振幅随质量比及刚度比的变化却呈软特性,即在某些参数范围内,系统的简谐周期响应发生分岔并导致混沌运动,系统的运动既可以发生在零平衡点附近,也可以发生在非零平衡点附近,甚至是在不同的平衡点之间作大幅跃迁。因此,相同参数下,系统具有双稳态时比单稳态时具有更丰富的运动形式,可明显提高系统的电压输出和响应频带。研究结果可为工程实际中如何优化振动能量采集器提供理论依据。     

压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证

提出了一种用于压电振动能量收集器的等效电路建模分析法.这种方法将有限元分析和电子电路分析相结合,根据机电类比机制,把压电振动能量收集器的建模问题从复杂的机械领域转换到纯电学领域进行分析.利用该等效电路法,建立并分析了线性和AC-DC非线性负载电路条件下双压电层并联的振动能量收集器电能预测模型.通过对比发现,经等效电路建模分析得到的电压和功率响应结果与实验测量结果的最大误差不超过5％,这充分证实了等效电路建模分析法能在避免理论建模时的复杂推导过程的前提下,保证电能预测模型的精确性.该研究为创建复杂机械和电学边界条件下压电振动能量收集器电能预测模型提供了一种新的、有效的解决途径.     

压电磁耦合振动能量俘获系统的非线性模型研究

为了建立压电磁耦合振动能量俘获系统的动力学模型,提出了一种非线性多项式拟合系统的非线性回复力的建模方法。使用微型测力仪直接测得悬臂梁处于不同位置时的非线性回复力,并用多项式进行参数拟合以获得非线性回复力的表达式。根据哈密顿原理、欧拉-伯努利梁理论和压电理论等,建立了考虑非线性回复力的系统模型,由龙格-库塔数值算法仿真后得到系统的非线性输出特性。研究结果表明,该模型具有参数求解简单、计算量小、无需直接求解磁场力等优点,能够描述非线性宽频能量系统的跳跃频率、最大电压和有效频带等关键设计参数,为压电磁耦合振动能量俘获系统的机理研究奠定了理论基础。     

一种非线性双稳态人体运动能量俘获技术

针对传统线性压电悬臂梁频带过窄且难以与人体运动相匹配的问题,考虑人体小腿的运动特点,设计了一种双稳态磁耦合压电悬臂梁应用于人体运动能量俘获,利用运动过程中小腿的摆动及其与地面间的冲击产生的加速度使悬臂梁跨越势阱提高俘能效率。以哈密顿原理及人体运动信号为基础,建立了用于人体运动能量俘获的非线性动力学模型。根据人体腿部运动的振动特征设计了一种便携式非线性振动能量俘获系统,实现了线性、非线性单稳态和双稳态等动力学特征。采用实际腿部振动信号进行的理论模型数值仿真表明:双稳态人体振动俘能技术能够产生大幅度跨越势阱运动并俘获较多的电能。人体不同运动状态的实验结果验证了非线性双稳态人体能量俘获技术的优势以及所建立的机电耦合模型的有效性。当运动速度为8km/h时,双稳态系统的平均功率达到最大值23.2μW。     

离散事件系统仿真建模与仿真策略

离散事件系统仿真是现代仿真技术的主要研究热点之一．离散事件系统是一类在工程技术、经济、军事等领域常见的系统，它们的状态在一些不均匀的离散时刻发生变换且状态变换的内部机制比较复杂，往往无法用常规的数学方法来描述．离散事件系统仿真是当前研究这一类系统的最有用处的方法之一．要对系统进行仿真研究，首先需要建立系统的仿真模型．笔者比较详细地探讨了离散事件系统仿真建模的核心一仿真流程管理、离散事件系统的三种仿真建模策略，即：事件调度法、活动扫描法、进程交互法．     

压电极化子的基态能量

本文采用二次修正后的LLP变换与变分技术,以及选取适当的电子基态的试探波函数,导出了适用于电子——声学声子强耦合与弱耦合两种情形的压电极化子的基态能量。     

区间自动闭塞系统安全性测试系统仿真建模

铁路区间自动闭塞系统的可靠性和安全性的测试与评估是铁路安全控制领域广为关注的焦点 ,开发区间自动闭塞系统可靠性和安全性自动测试与评估平台是解决这一问题的有效途径 .因此 ,结合作者正在参加研究开发的区间自动闭塞系统可靠性和安全性自动测试与评估平台 ,介绍了铁路区间自动闭塞系统的基本原理 ,抽象出铁路区间自动闭塞系统面向对象模型 ,详尽阐述了利用轨道作为传输通道的仿真模型中所采用的仿真技术 ,并给出了自动闭塞系统可靠性和安全性自动测试与评估平台的总体设计框图 .     

数字光纤通信系统的建模与仿真

建立了数字光纤通信系统各部分的数学模型,并利用这些模型编程实现了丛电发端到电收端整个系统的特性仿真,还建立了一个可用于评估光纤通信系统性能及开展理论研究的实验平台,能够显示信号波形、性能眼图,给出了系统的误码率等,运用该仿真软件对已有系统进行了性能测试与评估,仿真结果与实际性能相符合。     

龙门起重机操作培训仿真系统建模问题研究

通过分析目前龙门起重机操作培训系统的不足，讨论了建立计算机仿真系统的必要性，首先通过构造物体曲面来得到几何模型矩阵，然后引入物理特性，对物体运动轨迹进行分析，求出平动和转动矩阵，接着利用几何矩阵和运动矩阵的联合求解进行物体运动仿真，从而用几何建模和物理建模互相结合的方法完成了系统的建模方案，最后介绍了整个仿真系统的架构和建模方案在系统中实现的具体软件工具和方法。     

压电驱动器的非线性建模

在研究了各种非线性模型的基础上,采用Maxwell迟滞模型建立了压电驱动器的非线性模型,给出了该模型参数的求解准则和方法．实验结果表明,所建立的非线性模型与实际测量结果一致,提出的非线性参数的求解方法简单实用．该模型可用于对驱动器的前馈控制,以达到提高驱动器位移控制精度的目的．     

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．     

一种低频压电俘能器准静态分析与能量收集试验

针对环境中的低频振动能量,基于低频悬臂梁压电结构,建立了压电俘能器的准静态振动模型,并通过数值仿真与试验对其进行了验证.结果显示,数学模型与数值仿真及试验结果相吻合.当该结构在一阶谐振（58.9 Hz）状态,且激励加速度10 m/s2时,结构开路输出电压可达86.3 V,最大输出功率为27.5 mW.另外,针对压电俘能器的能量存储问题,采用LTC3588-1芯片,设计了相应的能量采集电路,并进行了超级电容充电试验.结果显示,对0.22F 5 V超级电容充电6 000 s可达到3.6 V电压.      

压电俘能器磁力限幅结构设计与优化

针对悬臂梁式PZT俘能器的压电陶瓷片经过长时间循环振动后常常会出现裂纹甚至发生断裂的问题,提出了俘能器的磁力限幅结构方案. 采用ANSYS软件对原结构以及限幅以后的结构进行谐响应分析. 结果表明,磁力限幅方案有效地减小了结构中的最大应力. 对磁力限幅方案进行了优化,并通过仿真证明了优化后的结构在俘能器获得最佳俘能效果的前提下,可有效控制压电陶瓷片的疲劳断裂.     

双端固支梯形梁压电俘能器机电耦合模型与试验分析

针对环境中的低频振动能量,基于双端固支梁压电结构,建立了梯形梁压电俘能器的机电耦合振动模型,并通过试验对其进行了验证.结果显示,数学模型与试验结果相吻合.当梯形梁结构在1阶谐振（96.85 Hz）状态,且激励加速度2 m/s2时,结构单侧开路输出电压峰值可达44.43 V,最大输出功率为6.16 mW.另外,双端固支梯形梁结构与矩形梁结构的比较试验结果显示,双端固支梯形梁压电结构可以有效降低谐振频率,输出开路电压较矩形结构提高22.7%,输出最佳负载功率较矩形结构提高33.0%.      

基于压电效应的路面能量收集技术

对基于压电效应的沥青路面能量收集技术的可行性和效率进行探讨.路面中存在应力驱动和振动驱动能.速度为60 km/h的标准轴载对沥青路面深40 mm处所做的功约为0.644 J;实测的沥青路面振动频率约在15 Hz.初步试验表明,一个钹式压电换能器阵列,在0.7 MPa 20 Hz的荷载作用下,可产生超过250 V的电压,能稳定点亮8个LED灯,这验证了压电式路面能量收集技术的可行性.压电换能器性能取决于器件的换能效率、储能能力、疲劳寿命,以及与路面刚度的匹配程度.理论和有限元分析表明,针对路面环境,不同换能器的性能各有差异,换能效率约为5%~30%.直径为32 mm的钹式换能器,在0.7 MPa荷载的作用下,可产生高达97.33 V的电压.若荷载频率为20 Hz,则最多可收集到1.2 mW的电能,潜能可观.     

多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究

为了提高悬臂梁压电振子的发电能力,设计并制作了多悬臂梁压电振子,采用有限元方法对多悬臂梁压电振子的有效工作频率进行了仿真分析,并且进行了实验验证.在此基础上,对多悬臂梁压电发电装置进行了压电发电实验测试.研究结果表明,多悬臂梁压电振子工作的谐振频率范围为56~65 Hz,与实验结果基本吻合.相比于单悬臂梁压电振子,多悬臂梁压电振子能有效地拓宽其谐振频带并提高压电发电能力.当多悬臂梁压电振子外接负载为820Ω、工作频率为60 Hz时,多悬臂梁压电发电装置的最大输出功率达到4.9 mW,产生的能量能够满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求.     

永磁同步电机在MATLAB中的建模与仿真

推断了永磁同步电机的数学模型,给出其基本方程、等效电路和相量图,在此基础上推断出了其功率和转矩的表达式,并给出功角和矩角特性．最后在MATLAB／sIMuLINK中对永磁同步电机进行了建模与仿真．     

通风孔对压电麦克风低频响应的影响研究

根据压电麦克风的工作原理建立压电传感器的集总元件等效声电模型,分析通风孔结构对压电麦克风灵敏度的影响。通过有限元建模,研究通风孔的几何尺寸对压电麦克风低频输出的影响。通风孔位于硅基的位置不影响麦克风的低频输出。通风孔的横截面积一定时,长度越长,低频响应越快。通风孔的长度一定时,横截面积越小,低频响应越好。如果要达到相同的低频位移输出,通风孔的横截面积比为2倍时,长度比应为4倍。