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A bio-inspired spider-like structure isolator for low-frequency vibration

Applied Mathematics and Mechanics(English Edition) 2023年第8期44卷 1263-1286页

作者： Guangdong SUI Shuai HOU Xiaofan ZHANG xiaobiao shan Chengwei HOU Henan SONG Weijie HOU Jianming LI State Key Laboratory of Robotics and System Harbin Institute of TechnologyHarbin 150001China School of Astronautics Harbin Institute of TechnologyHarbin 150001China Yangtze River Delta HIT Robot Technology Research Institute Wuhu 241000Anhui ProvinceChina Tianjin Key Laboratory of Microgravity and Hypogravity Environment Simulation Technology Tianjin 300301China

This paper proposes a quasi-zero stiffness(QZS)isolator composed of a curved beam(as spider foot)and a linear spring(as spider muscle)inspired by the precise capturing ability of spiders in vibrating *** curved beam is simplified as an inclined horizontal spring,and a static analysis is carried out to explore the effects of different structural parameters on the stiffness performance of the QZS *** finite element simulation analysis verifies that the QZS isolator can significantly reduce the first-order natural frequency under the load in the QZS *** harmonic balance method(HBM)is used to explore the effects of the excitation amplitude,damping ratio,and stiffness coefficient on the system’s amplitude-frequency response and transmissibility performance,and the accuracy of the analytical results is verified by the fourth-order Runge-Kutta integral method(RK-4).The experimental data of the QZS isolator prototype are fitted to a ninth-degree polynomial,and the RK-4 can theoretically predict the experimental *** experimental results show that the QZS isolator has a lower initial isolation frequency and a wider isolation frequency bandwidth than the equivalent linear *** frequency sweep test of prototypes with different harmonic excitation amplitudes shows that the initial isolation frequency of the QZS isolator is 3 Hz,and it can isolate 90%of the excitation signal at 7 *** proposed biomimetic spider-like QZS isolator has high application prospects and can provide a reference for optimizing low-frequency or ultra-low-frequency isolators.

关键词： bionic isolation structure curved beam nonlinear stiffness quasi-zero stiffness(QzS) low-frequency vibration isolator

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Design and Experiment of the High Speed Wire Drawing with Ultrasound

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2009年第4期22卷 580-586页

作者： QI Haiqun shan xiaobiao XIE Tao School of Meehatronics Engineering Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China Department of Material and Chemical Engineering Heilongiiang Institute of Technology Harbin 150050 China

The previous experiments of wire drawing with ultrasonic vibration were mostly carried out on self-made machine or drawing test machine and the drawing speed didn＇t conform to practical production. In order to promote the practical application of the technology, the ultrasonic vibration system was designed and manufactured by using the classical dynamics method. The dynamic characteristic of the ultrasonic vibration system was analyzed. The performance parameters of the system were measured on the resistance analyzer. The oxygen-free brass wire drawing with ultrasonic vibration at the approximate speed of practice was carried out on the LH-200/17 drawing machine. By comparing the wire drawing through ultrasonic vibration and the conventional wire drawing, the experimental results show that the drawing process with ultrasound was steady at the high drawing speed of 1 126 mm/s, while the broken wire often occurs at the speed of 980 mm/s during the conventional wire drawing; the ultrasonic vibration reduced the drawing force by 7 %; and the ultrasound also reduced the uneven deformation of the wire and greatly improved the surface quality of the wire. The research results provide theoretical and experimental support for the practice and application of the wire drawing by ultrasonic vibration.

关键词： ultrasonic vibration wire drawing drawing experiment drawing force surface quality

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风向自适应型涡激振动压电俘能器的试验研究

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机械工程学报 2022年第20期58卷 120-127页

作者：侯成伟单小彪宋汝君谢涛哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001 山东理工大学机械工程学院淄博255049

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风... 详细信息

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风向自适应型涡激振动压电俘能器。本俘能器可以根据风向的变化,自主调节迎风角度,从而使得俘能器能够在不同方向来风激励时拥有良好的输出性能。其主要由两个L型压电俘能梁、轴承底座、旋转固定座、导向翼等部分组成。通过搭建的小型风洞测试系统,对俘能器样机进行了测试和分析:受不同方向来风激励时,俘能器的输出功率绝对积分面积的平均相对偏差不大于6.1%;俘能器的风向自适应开启状态相对关闭状态,两个压电俘能梁的输出功率绝对积分面积平均值分别提升了468.2%和492.3%。自适应型压电俘能器的研究结果对提高俘能器的环境适应能力和增强输出性能有良好的参考价值。

关键词：自适应涡激振动压电俘能风能

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潜水式尾流激振压电俘能器的输出性能研究

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机械工程学报 2022年第20期58卷 101-110页

作者：单小彪隋广东田海港王艺聪谢涛哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

为解决水下传感器的自供能问题,提出一种潜水式尾流激振压电俘能器。通过推导的俘能器流-固-电耦合场数学模型,结合有限元仿真模型,获得俘能器的流激力。仿真与试验数据具有良好的一致性,验证数学模型和仿真的正确性。对于振动柱直径为1... 详细信息

为解决水下传感器的自供能问题,提出一种潜水式尾流激振压电俘能器。通过推导的俘能器流-固-电耦合场数学模型,结合有限元仿真模型,获得俘能器的流激力。仿真与试验数据具有良好的一致性,验证数学模型和仿真的正确性。对于振动柱直径为15 mm的俘能器,增加固定柱直径可有效提高其输出性能。当两柱中心距为20 mm时,PEH_05_15俘能器输出最大电压为23.36V,是PEH_00_15俘能器最大输出电压的1.51倍。PEH_05_20俘能器在中心距为15mm时输出最大电压为41.85 V,同比无固定柱俘能器的输出电压提升了1.21倍。

关键词：压电俘能器尾流激振流-固-电耦合输出电压俘获性能

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宽频压电振动俘能器的研究现状综述

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振动与冲击 2018年第8期37卷 190-199,205页

作者：徐振龙单小彪谢涛杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

随着便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络的广泛应用,化学电池供能的弊端日益显现。压电振动俘能器可以将环境中的振动能转换成电能,实现低功耗微电子产品的无线供能或能量自给。在实际应用中,为了增强俘能器的环境适应能... 详细信息

随着便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络的广泛应用,化学电池供能的弊端日益显现。压电振动俘能器可以将环境中的振动能转换成电能,实现低功耗微电子产品的无线供能或能量自给。在实际应用中,为了增强俘能器的环境适应能力,提高其俘能效率,宽频压电俘能技术成为当前的研究热点。介绍了压电振动俘能器的工作原理、常用压电材料和工作模式,综述了宽频压电俘能技术的国内外研究现状,分析了当前研究中存在的问题和不足,提出了未来可能的研究方向。压电振动俘能技术为低功耗微电子产品提供了一种稳定、安全、长久的新供能方式,具有良好的应用前景。

关键词：振动俘能器压电式宽频

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超声焊接压电换能器的研制

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焊接学报 2009年第6期30卷 17-20页

作者：齐海群单小彪谢涛哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

基于变截面杆作一维纵向振动运动方程,在理论分析的基础上,根据四端网络传递方程和端面运动状态推导出了常用截面形状细杆在各种运动状态下边界条件和四端网络传递矩阵参数以及频率方程.研究了适用于超声焊接的压电换能器的设计方法.为... 详细信息

基于变截面杆作一维纵向振动运动方程,在理论分析的基础上,根据四端网络传递方程和端面运动状态推导出了常用截面形状细杆在各种运动状态下边界条件和四端网络传递矩阵参数以及频率方程.研究了适用于超声焊接的压电换能器的设计方法.为说明设计方法,利用四端网络法对压电换能器和变幅杆进行了设计.利用阻抗分析仪测量和分析了超声换能系统的谐振特性,并进行了系统的振动测试.分析和测试结果验证了设计的正确性.

关键词：变截面杆压电换能器四端网络法性能分析

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涡激振动型水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究

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振动与冲击 2017年第19期36卷 78-83,118页

作者：宋汝君单小彪范梦龙谢涛山东理工大学机械工程学院山东淄博255049 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

针对低速水流的能量收集问题,提出了一种复摆式涡激振动压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁与尾端圆柱平行连接组成,具有免予封装绝缘,振动响应大,易于在低速水流中产生涡激共振等优点。通过流-固-电耦合仿真分析和实验测试的方法,研究... 详细信息

针对低速水流的能量收集问题,提出了一种复摆式涡激振动压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁与尾端圆柱平行连接组成,具有免予封装绝缘,振动响应大,易于在低速水流中产生涡激共振等优点。通过流-固-电耦合仿真分析和实验测试的方法,研究了水流流速对复摆式压电俘能器振动和俘能的影响规律。结果发现,俘能器的输出功率随负载电阻先增大后减小,存在最优电阻可使俘能器的输出功率最大。俘能器的振动幅值和功率输出均随流速的增大而先增大后减小,在涡激共振处出现最大值;振动频率整体随着流速的增大而增大,但在涡激共振区域,由于"锁定",俘能器的振动频率基本保持在俘能器的固有频率处。俘能器输出功率随圆柱直径的增大而增大,但涡激振动速度也相应的提高。

关键词：水流涡激振动压电俘能器俘能

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压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究

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西安交通大学学报 2016年第2期50卷 55-60,79页

作者：宋汝君单小彪李晋哲谢涛哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 东北林业大学机电工程学院哈尔滨150040

针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出。通过数学建模和实验测试的方法,研究... 详细信息

针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出。通过数学建模和实验测试的方法,研究了水流速度和外接电阻对压电俘能器振动和俘能的影响规律。实验结果表明:压电俘能器的振动频率随流速的增大而增大,振动幅值在涡激共振时最大,输出功率受流速和外接电阻两者影响,较小外接电阻适合较高流速,较大电阻适合较低流速,压电俘能器在涡激共振处可获得最大的能量输出,当外接电阻为0.5 MΩ、流速为0.41m/s时,实验测试得到了8.3μW的最大输出功率。数值分析结果与实验测试结果吻合较好,验证了数学模型的正确性。

关键词：水流涡激振动压电俘能器俘能

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压电悬臂梁俘能器多模态俘能效果研究

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西安交通大学学报 2010年第6期44卷 114-119页

作者：王红艳谢涛单小彪袁江波哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院黑龙江齐齐哈尔161006

研究了一种带质量块的压电悬臂梁俘能器,推导得到俘能器振型函数,并进行数值计算,分析不同质量比时系统振型特点,以及系统各阶固有频率与质量比的关系.数值计算结果表明:质量比小于0.5时,对系统各阶固有频率影响较大;质量比趋于无穷大时... 详细信息

研究了一种带质量块的压电悬臂梁俘能器,推导得到俘能器振型函数,并进行数值计算,分析不同质量比时系统振型特点,以及系统各阶固有频率与质量比的关系.数值计算结果表明:质量比小于0.5时,对系统各阶固有频率影响较大;质量比趋于无穷大时,自由边界条件会转化为夹持边界条件;俘能器二阶及二阶以上模态时在梁长度方向上存在应变节点,节点两侧应变符号相反.为提高俘能效率,避免压电晶片电极上电荷抵消现象的发生,可在悬臂梁上应变节点两侧分段粘贴压电晶片,提取多个谐振频率时的振动能,实验结果表明分段电极法可以产生更多的电能.

关键词：压电俘能器悬臂梁分段电极应变节点

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复合型悬臂梁压电振子振动模型及发电试验研究

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机械工程学报 2010年第9期46卷 87-92页

作者：袁江波谢涛单小彪陈维山哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

单悬臂梁压电振子俘获环境中振动能时,对环境振动频率敏感且频带有限,在谐振频率与环境振动频率不匹配的情况下,会导致压电振子俘能效率低下。基于此,设计复合型悬臂梁压电振子并建立其振动模型,采用激光测振仪对复合型悬臂梁压电振子... 详细信息

单悬臂梁压电振子俘获环境中振动能时,对环境振动频率敏感且频带有限,在谐振频率与环境振动频率不匹配的情况下,会导致压电振子俘能效率低下。基于此,设计复合型悬臂梁压电振子并建立其振动模型,采用激光测振仪对复合型悬臂梁压电振子进行扫频测试。研究结果表明,复合型悬臂梁压电振子谐振频率范围为56～72Hz,与理论分析结果基本吻合,试验验证了理论模型的正确性。相比于单悬臂梁压电振子,复合型悬臂梁压电振子有效地拓宽了其谐振频带,易于实现与环境振动源振动频率匹配以提高压电发电效率。在此基础上,进行复合型悬臂梁压电发电装置的发电能力测试,在负载为820?,工作频率为60Hz时最大输出功率达到4.9mW,产生的能量能够满足网络传感器等低耗能微电子产品的供能需求。

关键词：压电发电复合型压电振子振动模型频带

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