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%.      

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.      

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。     

悬臂梁双压电振动能量采集器的发电性能

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。     

基于压电薄膜材料PVDF的能量采集结构研究

为了提高基于PVDF压电材料的能量采集效率,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对双晶压电悬臂梁进行研究。首先,对悬臂梁结构的压电振子进行了稳态分析、模态分析和谐响应分析,同时对4种不同基板材料压电振子电压输出特性做了研究比较;其次,对悬臂梁压电振子结构进行了优化设计。对其形状的研究表明:矩形悬臂梁的输出电压最高;随着悬臂梁的长宽比增加,其输出电压逐渐增大;在压电材料面积固定时,增加长度、减小宽度都能提高输出电压,为设计最佳的能量采集器提供理论依据。     

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.     

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20 N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%。     

内置压电臂流致振动能量收集研究

为了减少压电臂在水中的阻尼以及绝缘和腐蚀等问题,本文提出一种内置悬臂梁的水下压电能量收集装置。首先对带有质量块的压电臂进行了自由振动衰减实验,确定压电臂的固有频率、阻尼比以及机电耦合系数,得到了压电臂固有频率与阻尼比随负载电阻变化的规律。之后在水槽中进行了流致振动能量收集实验,通过调节流速大小,在同一流速下更换不同阻值负载,得到输出电压及功率随流速及电阻的变化规律。结果表明输出电压随着负载电阻的增大而增大,在某一流速下会产生锁频现象,使得输出电压及功率最大。数据分析得到各电阻的最大功率出现在U=0.816 m·s~(-1)处,系统的最大功率出现在电阻值为680 kΩ时。     

某金属带式无级变速器振动仿真分析与多工况下试验验证

为分析某金属带式无级变速器(CVT)振动产生机理,采用集中参数法建立双级行星齿轮非线性扭转动力学模型,应用四阶龙格库塔方法进行动态响应求解,利用ADAMS软件进行动力学仿真,对动态响应进行验证,进行CVT振动台架试验测试。研究结果表明：四阶龙格库塔方法与ADAMS动态仿真得到的动态响应结果基本一致;台架试验结果表明前进挡转速为2500r/min时,低速挡输入轴轴向位置的振动加速度最大为0.623m/s²,转速为1 000 r/min时,低速挡输入轴轴向位置的加速度最大为0.309 m/s²;倒挡工况下,转速为2 500 r/min时,倒挡输入轴轴向位置的振动加速度最大为0.703 m/s²,转速1 000 r/min时,倒挡输入轴轴向位置的加速度最大为0.504 m/s²;倒挡工况下的振动加速度幅值比前进挡高12.85%;倒挡阶次谱中54.4阶和108.8阶振动信号最为明显,挡位切换过程中双级行星齿轮啮合次数增多,啮合间隙是CVT在倒挡动力传递中振动增大的主要原因。     

基于改进K-means的潜油电泵质量评估方法研究

针对潜油电泵使用寿命的问题,开展了基于潜油电泵井下振动测量的单节潜油电泵装配质量等级分类的研究,建立了单节潜油电泵的三维振动模型,提出了拐点法优化K-means聚类算法初始点的选取,采用三维合成方法求取电泵三个维度的合成振动加速度均方根值,利用改进K-means算法对239节潜油电泵的合成振动加速度均方根进行了聚类分析,建立了潜油电泵装配质量等级评价标准。对所测量的电泵进行质量跟踪,其结果验证了电泵装配质量等级分类的合理性。结果表明,潜油电泵合成振动加速度均方根小于1.30 m/s²的潜油电泵为优质电泵,使用寿命最长,宜用于高产井;处于1.30~1.72 m/s²的为质量良好电泵,使用寿命较长,可正常使用;处于1.72~2.35 m/s²的为质量合格电泵,使用寿命一般,应谨慎使用;大于2.35 m/s²为质量较差电泵,使用寿命较短,应维修后再使用。     

基于电镀铜平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器

采用微机电系统加工技术制作出一种结构新颖的微型电磁式振动能量采集器,它可以把周围环境中的振动能转换为电能。整个结构主要由圆形SmCo28永磁体、铜平面弹簧和双层线圈构成。采用UV-LIGA技术和电镀技术制作铜平面弹簧和双层线圈,并与永磁体一起组装成试验样机,其体积大约为200mm3。Ansys有限元仿真结果表明共振结构的一阶固有频率为129.3Hz。对组装好的电磁式振动能量采集器试验样机的初步测试表明：在加速度为3g（g=9.8m/s2）的外界输入冲击下,负载两端的交流电压峰峰值为32.5mV。     

基于悬臂梁结构的压电能量收集器的机电转化效率分析

分析钢球和压电悬臂梁之间的碰撞过程,通过压电振子等效电路模型计算与实验数据分析,研究基于PMNT与PZT两种不同材料的悬臂梁压电能量收集器的输入机械冲击能量和输出电能之间的关系,分析各自机电转换效率受机电耦合系数的影响规律,采用钢球下落撞击悬臂梁结构压电振子的方式实现机械能到电能的转换.     

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。     

基于五次多项式的智能车辆轨迹规划

针对智能车辆换道轨迹中存在的侧向加速度过大或轨迹曲率不连续的问题,在对传统车辆换道模型进行比较分析的基础上,提出基于五次多项式换道模型的轨迹规划方法.基于换道轨迹安全性和效率性的要求,以车辆换道时的侧向加速度、换道时间和车辆横摆角速度为优化变量,设计目标函数.通过求解目标函数得到最优换道时间,进而得到最优换道轨迹.对等速偏移+正弦函数换道模型和五次多项式换道模型进行仿真对比.结果表明：利用五次多项式换道模型的轨迹规划方法,当路面附着系数为0.2时,侧向加速度最大值为0.45 m/s²,轨迹的曲率最大值为2.02×10^-3 m^-1;路面附着系数为0.6时,侧向加速度最大值为0.70 m/s²,轨迹的曲率最大值为1.12×10^-3 m^-1;路面附着系数为0.8时,侧向加速度最大值为0.81 m/s²,轨迹的曲率最大值为0.90×10^-3 m^-1,均小于等速偏移+正弦函数换道模型轨迹曲线的侧向加速...     

基于压电的传感器自供电系统设计方法

针对规模化养殖场通风状态监测的需求,设计风致振动压电俘能系统解决监测传感器自供电问题.自供电系统由压电俘能结构和能量管理电路组成,可将风能转换为电能.分析和测试结果表明压电式俘能结构可输出电压10.88 V,功率6.975 mW;LTspice软件仿真结果表明能量管理电路可实现电压转换,并稳定输出电压3.3 V.根据机械系统与电路系统的相似关系,对自供电系统整体建模,Matlab/Simulink软件仿真结果显示:压电俘能结构输出电压10.87 V、功率6.989 mW,自供电系统终端可输出3.3 V电压,结果与俘能结构和能量管理电路仿真、测试结果基本一致,说明系统整体建模正确,方案合理.通过现场测试,通风口处风速为2.6 m/s时,自供电系统能够输出电压3.3 V,为监测传感器稳定供电,该研究可在通风监测传感器自供电系统中广泛应用.      

关于内共振压电能量采集器

内共振可以加强压电能量采集器.忽略电量的耦合,导出了内共振条件的解析表达式,与考虑电量耦合的精确情形相比,误差很小.数值计算输出电压的均方根表明,用该方法设计的内共振压电能量采集器在Gauss白噪声、2阶滤波产生的色噪声、窄带色噪声和指数相关色噪声激励下,都有良好的性能.     

基于标准粒子群优化算法的压电片位置与尺寸优化

悬臂梁式压电振动能量回收装置上压电片的粘贴位置和尺寸是影响回收电能的重要因素。提出了采用标准粒子群算法对压电片粘贴位置和尺寸进行同时优化的方法。首先推导了悬臂梁能量回收装置的能量方程;然后以能量方程为目标函数、运用标准粒子群优化算法获得了前三阶模态下压电片粘贴位置和尺寸优化结果;最后运用Abaqus软件计算得到前三阶模态下压电振动能量回收装置的固有频率和点电压,并由能量方程计算得到开路能量,根据点电压和开路能量分析得到了压电片最优位置和尺寸。运用标准粒子群算法获得的压电片位置和尺寸优化结果与仿真分析结果基本吻合:一阶模态下,压电片最优贴片位置在梁根部,最优尺寸约为梁长一半;二阶模态下,最优贴片位置在梁中部,最优尺寸约为梁长一半;三阶模态下,最优贴片位置在梁的三分之二处,最优尺寸约为梁长的三分之一。     

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．     

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.