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弹簧连接质量块压电悬臂梁低频和超宽频性能优化

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吉林大学学报（工学版） 2023年第10期53卷 2807-2816页

作者：蒋建东叶桢乔欣浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室杭州310014

针对压电悬臂梁因固有频率过高、频带窄等原因导致的振动能量采集效率低、实际应用效果不佳的问题,通过欧拉-伯努利梁的特征频率方程,分析悬臂梁收集能量的特性和振动学特性,得到影响压电悬臂梁固有频率的3个参数:有效刚度、有效质量和... 详细信息

针对压电悬臂梁因固有频率过高、频带窄等原因导致的振动能量采集效率低、实际应用效果不佳的问题,通过欧拉-伯努利梁的特征频率方程,分析悬臂梁收集能量的特性和振动学特性,得到影响压电悬臂梁固有频率的3个参数:有效刚度、有效质量和自由端惯性矩。提出一种通过改变整体有效刚度来优化悬臂梁的弹簧连接质量块式结构,并进一步通过改变结构的惯性矩得出多自由度弹簧悬臂梁,降低了梁的固有频率,并在仿真实验中得到验证。仿真实验中发现由于两阶谐振频率间距减小而产生频带叠加的现象,通过两阶频带分解解释其产生的可能性。实验结果得出弹簧连接质量块式悬臂梁结构较传统而言,输出电压提高30%,频带拓宽为原来的2.5倍;虽然与质量块悬臂梁相比改善效果不明显,但引入多自由度后输出电压最高能提高60%,频带拓宽最高为质量块悬臂梁的3.3倍。

关键词：压电悬臂梁固有频率弹簧连接质量块多自由度频带叠加

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基于力电响应的压电悬臂梁疲劳寿命预测

振动与冲击 2023年第17期42卷 314-322页

作者：冯逸亭刘文光吴兴意南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063

针对压电振动能量收集器的疲劳问题,旨在研究基于力电响应的压电悬臂梁振动疲劳寿命预测方法。结合压电悬臂梁振动疲劳试验测得的试验结果,以剩余刚度理论和“两段式”疲劳寿命分析模型为基础提出一种基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命... 详细信息

针对压电振动能量收集器的疲劳问题,旨在研究基于力电响应的压电悬臂梁振动疲劳寿命预测方法。结合压电悬臂梁振动疲劳试验测得的试验结果,以剩余刚度理论和“两段式”疲劳寿命分析模型为基础提出一种基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法;进一步分析振动疲劳过程中谐振频率变化与负载功率变化的关系模型,提出一种基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法。结果表明:基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差在10%~20%之间,其误差范围控制在1.5倍误差线以内;而基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差集中于25%左右,误差范围均控制在2倍误差线以内且属于偏安全的预测效果。

关键词：压电悬臂梁振动疲劳力电响应寿命预测

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基于电压的压电悬臂梁剩余寿命预测

振动与冲击 2022年第7期41卷 223-227页

作者：吴兴意刘文光胡剑波方孟翔高铭阳南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063

压电悬臂梁广泛应用于振动能量收集器的设计。然而,长期经受振动激励很容易导致其产生疲劳损伤,致使压电体发生失效。旨在研究一种基于电压的压电悬臂梁剩余寿命预测方法,实现压电悬臂梁的寿命预测。首先,设计压电悬臂梁振动试验系统,... 详细信息

压电悬臂梁广泛应用于振动能量收集器的设计。然而,长期经受振动激励很容易导致其产生疲劳损伤,致使压电体发生失效。旨在研究一种基于电压的压电悬臂梁剩余寿命预测方法,实现压电悬臂梁的寿命预测。首先,设计压电悬臂梁振动试验系统,测试压电悬臂梁的共振频率、发电电压和循环加载次数。然后,基于试验测得的共振频率定义损伤,建立电压变化与损伤的关系。最后,以电压变化率为损伤指针,建立压电悬臂梁的剩余寿命预测模型,利用试验结果证实寿命预测模型的准确性。结果表明,共振频带激励下,该模型可预测压电悬臂梁的剩余寿命,损伤率D在0.4~0.8区间内,预测误差小于15%;当损伤率D在0.8~1.0区间内,误差小于5%;当D小于0.4时,误差较大。

关键词：压电悬臂梁寿命预测电压共振频率

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压电悬臂梁在基座噪声激励下的稳态响应研究

压电悬臂梁在基座噪声激励下的稳态响应研究

作者：刘杰天津工业大学

学位级别：硕士

振动的能量收集已经成为微型发电装置的主要研究领域之一,压电换能器因其能将周围环境振动的机械能转换为电能而得到了众多学者的重视和研究。悬臂梁式的压电能量收集器具有结构简单、加工难度较低的优点,因此应用日益广泛。由于线性悬... 详细信息

振动的能量收集已经成为微型发电装置的主要研究领域之一,压电换能器因其能将周围环境振动的机械能转换为电能而得到了众多学者的重视和研究。悬臂梁式的压电能量收集器具有结构简单、加工难度较低的优点,因此应用日益广泛。由于线性悬臂梁式压电能量收集器具有较窄的频率带宽,仅当激励频率接近梁的基频时才能有效运行。模型中的非线性项有助于拓宽受激频率带宽,因此本课题重点是在模型中适当加入非线性项,并运用随机非线性动力学理论来研究基座噪声激励下压电悬臂梁的响应情况,探索压电悬臂梁在不同激励下的输出特性。本文主要研究内容有:(1)应用拉格朗日方程对随机信号激励下的压电悬臂梁进行非线性动力学建模及无量纲化,主要选用的激励来源为噪声。将动力学方程和压电方程转化为与瞬时等效振幅和瞬时相位有关的非线性动力学微分方程,接着运用标准随机平均法(拟线性系统随机平均法)将两个随机微分方程化简为一个关于等效振幅的伊藤方程并得到其漂移系数和扩散系数。在此基础上求得了在噪声强度、时延系数取不同值时的梁的振幅、梁的位移及瞬态输出电压的稳态响应概率,以及电压稳态均方值等。(2)针对高斯白噪声激励下的杜芬型压电能量收集器无量纲模型,提出了一种改进的随机平均方法。采用基于能量平衡法思想的简化方法,直接得到一个频率ω(A)的近似表达式,然后采用强非线性随机平均法进行化简,依次求得对响应位移、响应电压、电压的均方响应等关键预测量,还得到各个系统参数对输出电压均方值的影响,并和标准随机平均法预测结果进行对比。(3)运用改进的强非线性随机平均法对高斯色噪声激励下压电悬臂梁模型的稳态特性采取了理论分析和求解,获得该系统响应的振幅、电压、位移和速度、以及电压的均方值等关键预测量,并分析了噪声强度、阻尼系数、非线性刚度系数以及时延系数对系统响应和输出电压均方值的影响,最后通过数值仿真验证理论方法的有效性。

关键词：压电悬臂梁改进随机平均法高斯白噪声高斯色噪声均方电压

内置压电悬臂梁的涡致振动圆管俘能结构实验研究

同方学位论文库评论

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机械科学与技术 2023年

作者：陈鹏林杉杉马雄飞李莉沈阳化工大学计算机科学与技术学院辽宁省化工过程工业智能化技术重点实验室

利用计算机仿真和水循环试验系统测试，分析了阻流体直径、间径比以及双俘能结构串列情况下内置压电悬臂梁柔性圆管涡致振动俘能结构的性能。结果表明：俘能结构的输出电压随着圆柱阻流体直径的增大而增大，随着间径比的增加先增加后降... 详细信息

利用计算机仿真和水循环试验系统测试，分析了阻流体直径、间径比以及双俘能结构串列情况下内置压电悬臂梁柔性圆管涡致振动俘能结构的性能。结果表明：俘能结构的输出电压随着圆柱阻流体直径的增大而增大，随着间径比的增加先增加后降低。当阻流体直径为0.03m，高为0.05m，间径比为3时，最优输出电压峰-峰值为5.83V。当两个参数完全相同的俘能结构串列放置试验时，两者的输出电压大不相同，第二个俘能结构的输出电压远大于第一个俘能结构。综合考虑两个俘能结构的电压值，当间径比为4时，得到两个结构产生的电压值分别为0.71V和5.24V，优于间径比为其他值的情况。

关键词：压电俘能器涡致振动压电悬臂梁压电能量收集

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压电悬臂梁驱动传感共位特性研究

轻工机械 2022年第4期40卷 71-78页

作者：伍德彭来湖浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室浙江杭州310018 杭州勤诚微电子科技有限公司浙江杭州310018

为了探究压电陶瓷悬臂梁结构的驱动传感共位特性,笔者研究了以压电耦合悬臂梁样机分别作为传感器、驱动器和驱动传感共位时电流的变化规律,分析了压电悬臂梁被限位工作条件下其共位信号与空载状态信号的差异性,通过检测压电悬臂梁内部... 详细信息

为了探究压电陶瓷悬臂梁结构的驱动传感共位特性,笔者研究了以压电耦合悬臂梁样机分别作为传感器、驱动器和驱动传感共位时电流的变化规律,分析了压电悬臂梁被限位工作条件下其共位信号与空载状态信号的差异性,通过检测压电悬臂梁内部电流的变化来实现对压电悬臂梁驱动状态的共位检测。实验结果表明:在电压的激励下,压电悬臂梁在未被限位工作条件下,仅存在频率大小约为230 Hz的响应信号;压电悬臂梁在限位条件工作时,其采样信号在230 Hz和1640 Hz附近处有明显响应,且仿真结果与实验结果误差均在4%以内。该实验结果证明了可将压电陶瓷悬臂梁内部电流变化所对应的特征频率作为其工作状态的判定。

关键词：压电悬臂梁共位检测振动传感驱动器

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双激励压电悬臂梁的力电响应分析

机床与液压 2023年第7期51卷 51-57页

作者：高铭阳刘文光吴兴意方孟翔陈红霞冯逸亭南昌航空大学航空制造工程学院江西南昌330063

压电能量收集器因其结构简单、能量密度高、不受电磁干扰、能够在较低的频率收集振动能等优点,在机械、电子和航空航天等领域具有良好的应用前景。针对提高压电振动能量收集器发电效率的动力学设计,旨在研究双激励环境下压电悬臂梁的力... 详细信息

压电能量收集器因其结构简单、能量密度高、不受电磁干扰、能够在较低的频率收集振动能等优点,在机械、电子和航空航天等领域具有良好的应用前景。针对提高压电振动能量收集器发电效率的动力学设计,旨在研究双激励环境下压电悬臂梁的力电响应特性。根据Euler-Bernoulli梁理论、压电材料本构关系以及克希霍夫定律,建立双激励压电悬臂梁的机电耦合动力学模型。在此基础上,应用Galerkin法与模态叠加原理推导压电悬臂梁的力电响应表达式,建立根部应变与输出电压的关系模型。测试不同参数下单/双激励压电悬臂梁的力电响应特性,验证理论推导的合理性。最后,分析相位对双激励下压电悬臂梁输出电压的影响。结果表明:压电悬臂梁在双激励下的应变幅频响应变化规律与电压响应规律基本吻合;双激励下压电悬臂梁的力电响应曲线均呈现先增大,在接近共振频率达到极值时减小的变化趋势;激励幅值的增大导致压电悬臂梁的刚度和共振频率降低,试验测得的压电悬臂梁最大频率降为1.5 Hz;调节2种激励信号的相位,会影响输出电压响应,而且在一个周期内呈先减小后增大的趋势。

关键词：压电悬臂梁力电响应双激励能量收集

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压电悬臂梁的力电响应及疲劳寿命分析

失效分析与预防 2023年第3期18卷 184-190,195页

作者：冯逸亭刘文光高铭阳陈红霞鹿青山南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063

压电悬臂梁的力电响应与疲劳寿命是制约振动能量收集器深层次应用的关键。基于分布式参数建模方法,建立了压电悬臂梁的动力学模型,求解了压电悬臂梁的力电响应的解析解;借助有限元方法,开发了压电悬臂梁的仿真模型;通过实验验证了理论... 详细信息

压电悬臂梁的力电响应与疲劳寿命是制约振动能量收集器深层次应用的关键。基于分布式参数建模方法,建立了压电悬臂梁的动力学模型,求解了压电悬臂梁的力电响应的解析解;借助有限元方法,开发了压电悬臂梁的仿真模型;通过实验验证了理论模型与有限元模型的准确性;应用仿真模型,分析了压电悬臂梁的几何尺寸、基体层厚度、陶瓷层厚度对力电响应的影响;基于估算的压电材料S-N曲线,探讨了各参数对压电悬臂梁疲劳寿命的影响。结果表明:当宽度、基体层和陶瓷层厚度分别从16~24 mm、0.16~0.24 mm线性增加时,压电悬臂梁的疲劳寿命近乎呈现指数形式增加,而压电悬臂梁的长度由48 mm增加到56 mm,其疲劳寿命显著降低。

关键词：压电悬臂梁力电响应疲劳寿命能量收集器

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压电悬臂梁俘能器输出特性仿真分析

压电与声光 2018年第4期40卷 552-555页

作者：孙凯利王海峰李蒙崔宜梁青岛大学机电工程学院山东青岛266071

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电-电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化... 详细信息

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电-电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化,在短路谐振频率处达到最小值,在开路谐振处达到最大值;俘能器内、外阻抗匹配时,俘能器输出功率达到最优值;俘能器阻尼较小时,最优输出功率出现在短路谐振与开路谐振处,随着阻尼比逐渐增加,最优输出功率出现在两者之间,且只有一个峰值。

关键词：压电俘能谐响应分析阻抗匹配压电悬臂梁输出功率