双稳态压电-电磁复合俘能器非线性动力学分析 被引量：1

1

作者 梅杰 倪祥禄 +2 位作者 宋钢 陈定方 李立杰 《武汉科技大学学报》 CAS 北大核心 2024年第1期55-70,共16页

提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料的双稳态悬臂梁式压电-电磁复合俘能器结构。考虑到大变形时材料的几何非线性特点,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理建立系统分布式参数模型,采用Galerkin法与谐波平衡法给出响应解析解;利... 提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料的双稳态悬臂梁式压电-电磁复合俘能器结构。考虑到大变形时材料的几何非线性特点,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理建立系统分布式参数模型,采用Galerkin法与谐波平衡法给出响应解析解;利用MATLAB仿真分析激励频率、激励幅值、磁铁间距和负载电阻对系统输出性能的影响,并运用龙格-库塔法分析俘能器的非线性动力学特性;通过电路仿真研究悬臂梁在不同振动状态下的整流滤波特性。结果表明:随着激励幅值的提高,系统阱间运动的频率带宽会逐渐增大;存在一组最优的压电负载和电磁负载,使得系统输出总功率达到最大;负载的改变不会影响阱间运动的频带宽度;随着激励的增强,系统在混沌运动和周期运动间进行状态转换,可以利用标准桥式整流滤波电路进行周期运动时的能量采集,但该电路无法稳定收集混沌运动时的系统输出。 展开更多

关键词 压电-电磁复合俘能器 双稳态 几何非线性 阱间运动 非线性动力学分析

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一种机械式多稳态压电俘能器及其特性研究 被引量：6

2

作者 汪灿 谢进 +1 位作者 马戈 邹政 《压电与声光》 CAS 北大核心 2019年第5期700-705,共6页

该文提出了一种机械式非线性多稳态压电悬臂梁装置。利用集中参数法建立了系统的数学模型,分析系统势能可知,随着系统参数的变化,系统具有多稳态的特性;采用数值仿真法分析了在简谐激励和随机激励下系统的运动状态及俘能性能。结果表明... 该文提出了一种机械式非线性多稳态压电悬臂梁装置。利用集中参数法建立了系统的数学模型,分析系统势能可知,随着系统参数的变化,系统具有多稳态的特性;采用数值仿真法分析了在简谐激励和随机激励下系统的运动状态及俘能性能。结果表明,在简谐激励下,中低频环境中系统为三稳态时具有较好的俘能特性,高频环境中系统为单稳态时具有较好的俘能特性;在随机激励下,系统为三稳态时能在较低噪声强度下越过势垒而做大幅运动,从而输出较大电压;随着噪声强度增加,阱间运动发生的频率增加,输出电压也增加。 展开更多

关键词 机械式非线性压电俘能器 多稳态 压电俘能器 简谐激励 随机激励

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非线性双端固支梯形梁压电俘能器结构设计与特性分析 被引量：6

3

作者 高世桥 闫丽 +2 位作者 金磊 张希洋 张广义 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第7期398-405,共8页

设计了一种非线性双端固支梯形梁压电俘能器,用于收集环境中的振动能量,并将振动能转换为电能,为微小型电子元器件供能。自然环境中振动源的振动频率大多在100Hz以下,该俘能器采用引入非接触磁力的方法,降低其谐振频率、拓宽俘能频带并... 设计了一种非线性双端固支梯形梁压电俘能器,用于收集环境中的振动能量,并将振动能转换为电能,为微小型电子元器件供能。自然环境中振动源的振动频率大多在100Hz以下,该俘能器采用引入非接触磁力的方法,降低其谐振频率、拓宽俘能频带并提高输出性能。在理论分析的基础上,建立了Matlab/Simulink仿真模型并进行试验测试,对比分析了线性及非线性双端固支梯形梁压电俘能器的谐振频率、带宽及输出性能,同时研究了输出性能在3个参数(固定磁铁与质量块磁铁间距d、外接负载电阻R、外界激励加速度a)变化时的响应。仿真与试验结果表明,引入的非接触磁力使压电俘能器谐振频率降低了9Hz,俘能带宽拓宽了20%,输出功率提高了7.5%。 展开更多

关键词 压电俘能器 数值仿真 非线性 谐振频率 输出性能

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参数和直接激励下非线性压电俘能器性能分析的多尺度法 被引量：1

4

作者 夏光辉 方飞 +1 位作者 陈涛 王建国 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第1期10-17,I0001,共9页

考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,利用Hamilton变分原理,建立了参数激励和直接激励下压电俘能器的非线性力电耦合的运动微分方程;利用Galerkin法,将所建立的动力学偏微分方程降阶为力电耦合的Mathieu-Duffing型方程;... 考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,利用Hamilton变分原理,建立了参数激励和直接激励下压电俘能器的非线性力电耦合的运动微分方程;利用Galerkin法,将所建立的动力学偏微分方程降阶为力电耦合的Mathieu-Duffing型方程;采用多尺度法获得了梁的位移和输出电压的解析表达式,给出了解的稳定性条件;利用解析表达式研究了单独参数激励以及参数激励和直接激励共同作用下阻尼系数对压电俘能器性能的影响。结果表明,在参数激励情况下,线性阻尼会显著影响超临界分岔点的位置,非线性二次阻尼不会影响超临界分岔点的位置。参数激励和直接激励的结合可以作为提升压电能量俘获器性能的解决方案。 展开更多

关键词 非线性阻尼 直接激励 参数激励 压电俘能器 几何非线性 多尺度法

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磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器发电性能试验研究 被引量：3

5

作者 王曼 侯成伟 +2 位作者 孟金棚 杨小辉 宋汝君 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2022年第3期123-128,共6页

针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:... 针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:存在最优电阻使压电俘能系统的输出功率最大;对比无磁力系统,磁力耦合的I-L组合压电梁俘能器共振频率发生了明显的偏移:I型压电梁向左偏移,L型压电梁向右偏移,拓宽了系统的俘能频带;当激励加速度为0.2 g水平距离为20 mm、激振频率为18.4 Hz时,俘能器最大可得到1.2 mW的输出功率。 展开更多

关键词 磁力非线性 I-L组合梁 压电俘能器(PEH) 试验研究

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磁力耦合阵列式压电俘能器振动特性研究

6

作者 张旭辉 朱福林 +4 位作者 潘家楠 陈孝玉 郭岩 许恒涛 田浩 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第7期1191-1199,共9页

振动能量收集技术有望解决无线传感节点自供电的难题。通过引入非线性磁力,本文设计了一种磁力耦合阵列式压电俘能器(MA-PEH)。基于磁偶极子法建立非线性磁力模型,利用有限元方法获取组合梁的恢复力模型,根据牛顿第二定律及基尔霍夫定... 振动能量收集技术有望解决无线传感节点自供电的难题。通过引入非线性磁力,本文设计了一种磁力耦合阵列式压电俘能器(MA-PEH)。基于磁偶极子法建立非线性磁力模型,利用有限元方法获取组合梁的恢复力模型,根据牛顿第二定律及基尔霍夫定律建立系统的动力学模型。仿真分析了激励幅值、激励频率对动力学响应的影响规律,并进行实验验证。研究结果表明:在非线性磁力作用下,系统在谐振频率附近出现混沌和阱间周期运动,这将有利于拓宽俘能器的工作频带;随着激励频率改变,各组合梁始终保持相同的运动状态,当系统处于阱间周期运动状态时,只存在一种类型的组合梁处于高能输出状态。当激励频率分别处于两个组合梁的谐振频率附近时,增大激励幅值,将导致一种类型的组合梁输出被提升,而另一种类型的组合梁输出被抑制。 展开更多

关键词 压电俘能器 非线性 动力学响应 磁力耦合 阵列

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等效刚度对非线性压电俘能系统性能影响研究 被引量：1

7

作者 方飞 夏光辉 +1 位作者 汪权 王建国 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期601-607,共7页

基于Hamilton原理,考虑几何非线性和梁的不可伸长条件,建立了五层压电双晶片叠合梁俘能器在直接和参数激励作用下的运动微分方程。利用Galerkin法和谐波平衡法获得了俘能器的位移、输出电压和输出功率的解析解。引入随时间变化的扰动,... 基于Hamilton原理,考虑几何非线性和梁的不可伸长条件,建立了五层压电双晶片叠合梁俘能器在直接和参数激励作用下的运动微分方程。利用Galerkin法和谐波平衡法获得了俘能器的位移、输出电压和输出功率的解析解。引入随时间变化的扰动,提出了非线性方程解的稳定性条件。为了对压电俘能器的结构-性能关系进行综合分析,研究了被动层的配置形式、被动层与主动层的厚度比和弹性模量对压电俘能系统性能的影响。结果表明,在叠合梁厚度不变的情况下,采用五层的压电双晶片叠合结构,选择合理的被动层与主动层厚度比、被动层弹性模量、被动层厚度比和负载电阻,可以有效提高能量俘获的效率。 展开更多

关键词 压电俘能器 几何非线性 谐波平衡法 稳定性分析 叠层配置 参数分析

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梁端质量和叠层形式对非线性俘能器性能的影响

8

作者 方飞 夏光辉 王建国 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期685-692,共8页

基于哈密顿原理和梁的不可伸长条件,建立了在直接激励和参数激励下具有尖端质量的五层压电双晶片悬臂梁型非线性压电俘能器的分布参数微分运动方程。采用Galerkin方法获得力电耦合的Mathieu方程。利用谐波平衡方法来获得方程近似解的解... 基于哈密顿原理和梁的不可伸长条件,建立了在直接激励和参数激励下具有尖端质量的五层压电双晶片悬臂梁型非线性压电俘能器的分布参数微分运动方程。采用Galerkin方法获得力电耦合的Mathieu方程。利用谐波平衡方法来获得方程近似解的解析表达式。在参数激励、直接激励及其组合激励条件下,研究了梁端质量、负载电阻、基层厚度比对非线性压电俘能器性能的影响。研究结果表明,随着梁端质量的增加,参数激励系统起始阈值和共振频率减小。采用五层双晶片叠合梁,通过合理选择基层配置厚度比,可以有效地提高能量俘获效率。 展开更多

关键词 压电俘能器 梁端质量块 叠层配置 谐波平衡法 非线性性能

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线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究 被引量：5

9

作者 张旭辉 陈路阳 +3 位作者 陈孝玉 徐冬梅 朱福林 郭岩 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期2996-3006,共11页

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规... 利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律.利用磁偶极子法建立磁力模型,通过实验测量线形-拱形组合梁的恢复力,并采用多项式拟合得到恢复力模型,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型,从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律.研制线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究,通过采集组合梁末端响应速度数据,验证了理论分析的正确性.研究表明:引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱,激励一定时,调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动,且在三稳态运动时响应位移较大,增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应.研究为线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导. 展开更多

关键词 三稳态压电俘能器 线形-拱形组合梁 非线性磁力 动力学建模 数值仿真

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线形-拱形组合梁式压电俘能器振动特性研究 被引量：2

10

作者 张旭辉 汪林 +1 位作者 左萌 佘晓 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第6期1207-1214,共8页

为揭示线形拱形组合梁式双稳态压电俘能器系统参数对其动力学响应特性影响规律,利用磁化电流法及广义Hamilton变分原理,分别建立压电俘能器非线性磁力模型及系统分布式参数模型;采用谐波平衡法对俘能系统响应特性进行分析,讨论不同磁铁... 为揭示线形拱形组合梁式双稳态压电俘能器系统参数对其动力学响应特性影响规律,利用磁化电流法及广义Hamilton变分原理,分别建立压电俘能器非线性磁力模型及系统分布式参数模型;采用谐波平衡法对俘能系统响应特性进行分析,讨论不同磁铁间距、激励幅值、负载阻抗等参数对系统幅频响应及输出功率的影响规律,并进行实验验证。研究结果表明:组合梁式双稳态压电俘能系统幅频响应存在跳跃、多解现象,通过改变磁铁间距及激励幅值可调节不稳定区域范围;外界激振频率是影响系统最优阻抗的关键因素,磁铁间距及激励幅值对其影响不显著。当系统磁铁间距d取16 mm,激励频率f取16.2 Hz,最优阻抗R取5.6 MΩ,激励幅值A取1.3g时,系统最大输出功率约为43.4μW。研究结果为双稳态压电俘能器优化设计及工程化应用提供理论依据。 展开更多

关键词 压电俘能器 组合梁 谐波平衡法 非线性 阻抗匹配

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基于多尺度法双稳态压电俘能器动力特性分析 被引量：11

11

作者 满大伟 王建国 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第1期1-7,249,共8页

基于欧拉-伯努利梁假设,推导了双稳态悬臂式压电俘能系统的分布参数模型,建立了分析该模型的多尺度法并获得了系统的动力响应解析表达式,论证了多尺度法分析双稳态压电俘能器性能的可行性;研究了磁铁间距、外部激励的幅值、阻尼比、力... 基于欧拉-伯努利梁假设,推导了双稳态悬臂式压电俘能系统的分布参数模型,建立了分析该模型的多尺度法并获得了系统的动力响应解析表达式,论证了多尺度法分析双稳态压电俘能器性能的可行性;研究了磁铁间距、外部激励的幅值、阻尼比、力电耦合系数、负载阻抗等参数对俘能系统性能的影响。结果表明:产生阱间运动的激励幅值阈值与激励频率、两磁铁间距有关,低于激励阈值仅有阱内运动产生;输出功率并不是随着力电耦合系数增大而增加,而是存在最优力电耦合系数产生最大的输出功率,力电耦合系数大于最优值后,阱间运动输出功率减小;随着两磁铁间距的增大,阱间运动的频带宽度减小;减小系统的阻尼比可以有效地拓宽系统的阱间运动频带并获得较高的输出功率。通过优化设计、合理地调节各参数,可以提高压电俘能系统的输出功率和拓宽系统的工作频带宽度。 展开更多

关键词 非线性动力学 压电俘能器 多尺度法 双稳态特性 参数研究

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梁端磁铁尺寸对三稳态压电俘能器性能影响分析 被引量：4

12

作者 满大伟 王建国 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第4期1459-1467,I0006,共10页

考虑梁端磁铁的尺寸效应和转动惯量,利用广义Hamilton变分原理,建立了较为准确的非线性三稳态压电悬臂梁俘能系统的分布参数型力电耦合运动方程。采用多尺度法求出了该系统运动方程的解析解,主要研究了磁铁间的相对位置、负载阻抗以及... 考虑梁端磁铁的尺寸效应和转动惯量,利用广义Hamilton变分原理,建立了较为准确的非线性三稳态压电悬臂梁俘能系统的分布参数型力电耦合运动方程。采用多尺度法求出了该系统运动方程的解析解,主要研究了磁铁间的相对位置、负载阻抗以及梁端磁铁偏心距和质量对俘能系统性能的影响。结果表明:改变梁端磁铁偏心距和质量对阱间运动最优负载阻抗的影响明显;通过调节磁铁间的相对位置可以改变内、外势阱深度,从而改善俘能效率;阱间运动的最大输出功率和频带宽度随着梁端磁铁偏心距的增加而增大;增加梁端磁铁质量可以大幅拓宽阱间运动的工作频率范围,有效地提高阱间运动的输出功率。 展开更多

关键词 非线性动力学 压电俘能器 多尺度法 三稳态特性 阱间运动

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非对称势阱对三稳态压电俘能器性能的影响分析 被引量：2

13

作者 满大伟 王建国 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期60-69,共10页

为了探讨具有非对称势能函数的三稳态压电俘能器的优点,提出了一种具有不对称势能函数的三稳态结构。基于广义Hamilton变分原理,考虑梁端磁铁偏心距和转动惯量的影响,建立了非对称三稳态压电悬臂梁俘能系统的动力学方程,利用龙格-库塔... 为了探讨具有非对称势能函数的三稳态压电俘能器的优点,提出了一种具有不对称势能函数的三稳态结构。基于广义Hamilton变分原理,考虑梁端磁铁偏心距和转动惯量的影响,建立了非对称三稳态压电悬臂梁俘能系统的动力学方程,利用龙格-库塔法和多尺度法分析了初始振动点、外界激励等对存在非对称势阱的磁力式三稳态压电俘能系统响应的影响。结果表明:合适的起振位置和外部激励频率能使系统进入高能轨道,产生大幅阱间运动,提高系统的俘能效率。相比于忽略梁端磁铁偏心距和转动惯量的传统模型,修正模型的系统阱间运动频带宽度及输出功率峰值的计算结果均明显增大。 展开更多

关键词 非线性动力学 压电俘能器 多尺度法 非对称势阱 阱间运动

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三稳态压电俘能器的势能函数及对其性能的影响 被引量：1

14

作者 汪灿 马戈 +1 位作者 邹政 谢进 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期677-684,共8页

基于压电本构方程、牛顿第二定律和基尔霍夫定律,推导了机械式三稳态非线性压电俘能器的数学模型,采用数值方法研究了压电俘能器的势能函数及其对系统动力学响应和俘能特性的影响,同时,分析了刚度比和弹簧位置参数对势能函数性状的影响... 基于压电本构方程、牛顿第二定律和基尔霍夫定律,推导了机械式三稳态非线性压电俘能器的数学模型,采用数值方法研究了压电俘能器的势能函数及其对系统动力学响应和俘能特性的影响,同时,分析了刚度比和弹簧位置参数对势能函数性状的影响。研究结果表明:三稳态压电俘能器系统的势能函数具有三个势阱且具有对称性,当系统初始位置位于较浅的势阱附近时,系统将更容易做大幅阱间运动,降低有效俘能的激励幅值阈值,能够在较小的激励幅值下产生较大的均方根电压;在阱间运动情况下,势阱宽度越大,系统的均方根电压越大;弹簧位置参数和刚度比等系统参数会影响势阱深度与势阱宽度的大小,通过合理地设计系统参数,能有效提高系统均方根电压、降低有效俘能的激励幅值阈值。 展开更多

关键词 非线性压电俘能器 三稳态 势能函数 势阱深度 势阱宽度

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