压电能量采集器能量采集与振动抑制双目标设计

作     者：雷鸿 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹庆杰

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：压电能量采集 动力吸振器 Hamilton方程 振动抑制 混沌 

摘      要：压电振动能量采集器通过压电效应将环境中的振动能转变为电能,其对于耗能较小、数量巨大且分布广泛的传感器网络具有重要的意义。本文从电路的角度研究如何提高驰振压电能量采集器的能量采集效率,提出两种可以改善能量采集效率的电阻-电感-电容简单电路。并给出基于这两种电路的压电能量采集器的分布参数模型,运用仅考虑一阶模态的伽辽金离散对模型进行简化,而后运用等效结构法对控制方程进行解耦,并利用分布参数模型的数值解对此解耦方法做了数值验证。在解耦的过程中给出了两种电路的修正频率、电阻尼和能量采集效率的解析表达式,分析解耦后的控制方程,给出了此结构的起始驰振电阻尼、最优电阻尼和悬臂梁端部位移的解析表达式,确定了当电阻尼为最优电阻尼时取得最优能量采集效率。运用解耦的控制方程给出了此驰振压电能量采集器取得最优电阻尼时的电阻-电感-电容组合。此外,分析了不同风速下的最优能量采集效率和最大能量采集效率随电阻、电感和电容的变化关系。求得了两种简单电路对应的临界电阻和最大电阻尼的解析表达式。这些研究结果表明,调节电路参数可以大大提高能量的采集效率,同时也可以将电感降低到适用的范围。基于对驰振压电能量采集器的研究,压电能量采集器是一种耗能机制,可以将其作为阻尼因素引入动力吸振器中。本文基于压电能量采集器设计了一种动力吸振器,并基于动力学和电学Hamilton方程给出了两种形式的机电耦合Hamilton方程。运用机电耦合Hamilton方程给出了此结构的机电耦合控制方程,并通过高斯法则等方法简化机电耦合控制方程。对比控制方程简化前后的参数,验证了简化方法。运用简化后的控制方程,给出了此结构振动抑制和能量采集效果的数值解。研究表明,基于压电能量采集器的动力吸振器既能有效降低主振动系统的振动又能将振动能通过压电机制转变为电能,达到了双目标设计的目的。给出了不同频率下的时程曲线、相轨迹、频谱图和庞加莱截面,基于这些非线性分析方法分析了此动力吸振装置的非线性特性,发现了超谐波、拟周期和三倍周期等非线性现象,以及两种不同形式的混沌。最后,通过实验数据证实了动力吸振装置中的非线性现象。