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变截面悬臂梁式光纤布拉格光栅压力传感器设计研究

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激光与光电子学进展 2022年第1期59卷 142-151页

作者：潘越宋佳佳王智冲孙春勇甘川河北工程大学机械与装备工程学院河北邯郸056038

为满足煤矿井下复杂环境中围岩应力测量的实际需要,设计了一种变截面悬臂梁结构的光纤光栅压力传感器,并与等截面悬臂梁结构进行了对比。对其压力与光纤光栅漂移量的关系进行了推导;通过有限元方法分析了不同截面悬臂梁影响灵敏度大小... 详细信息

为满足煤矿井下复杂环境中围岩应力测量的实际需要,设计了一种变截面悬臂梁结构的光纤光栅压力传感器,并与等截面悬臂梁结构进行了对比。对其压力与光纤光栅漂移量的关系进行了推导;通过有限元方法分析了不同截面悬臂梁影响灵敏度大小的情况,确定了悬臂梁的尺寸;在此基础上应用数值分析和有限元分析探究了不同结构和材料参数对两种悬臂梁结构灵敏度的影响,同时与类似结构进行了对比分析。研究结果表明:设计时应选用固定端厚度相对较小、自由端厚度相对较大的变截面梁,最终选定的变截面悬臂梁厚度为固定端0.5 mm、自由端2 mm,传感器的压力灵敏度可达893.45 pm/MPa,是裸光纤光栅的294倍。在改变结构及材料参数后,变截面悬臂梁结构的压力灵敏度依然优于等截面悬臂梁,验证了传感器结构的合理性,能够满足煤矿巷道监测所需,并且在量程范围内具有良好的线性。

关键词：光纤光学与光通信压力传感器变截面悬臂梁围岩监测灵敏度

压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器的设计与优化

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传感技术学报 2023年第6期36卷 868-873页

作者：胡捷李红杨卫平肖志锋江西农业大学工学院江西南昌330045 江西省畜牧设施技术开发工程研究中心江西南昌330045

为了降低环境振动压电能量收集器(PVEH)的固有频率(ω_(n)),提高PVEH的输出性能,提出了一种压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器(VCL-PVEH)。基于压电方程建立了不同压电材料分布的VCL-PVEH数值模型,优化了压电材料分布位置。研制了PV... 详细信息

为了降低环境振动压电能量收集器(PVEH)的固有频率(ω_(n)),提高PVEH的输出性能,提出了一种压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器(VCL-PVEH)。基于压电方程建立了不同压电材料分布的VCL-PVEH数值模型,优化了压电材料分布位置。研制了PVCL-PVEH原理样机,搭建样机实验平台。结果表明:当压电材料靠近悬臂梁固支端时,器件输出电压(V)和功率(P)最大;随着压电材料与固支端距离(D)增大,器件ω_(n)降低。在相同压电材料面积下,三角形VCL-PVEH的ω_(n)最低(ω_(n)=25.7 Hz)、V最大(V=100 V)。实验和计算表明,随负载阻抗(R)增大,P先增大后减小,存在最优R为25000Ω,此时,P为240 mW,可直接点亮21只商用LED,满足低功耗农业物联网传感器供电的要求。

关键词：振动压电材料变截面悬臂梁能量收集功率

变截面悬臂梁动力学研究及其在压电能量采集器中的应用

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变截面悬臂梁动力学研究及其在压电能量采集器中的应用

作者：王姣姣北京工业大学

学位级别：硕士

压电振动能量采集器是一种将环境中的振动能转换为电能的机电耦合系统,具有响应快、无污染、寿命长、结构简单且易于组装等优点,可为微电子、远程监控等工程领域中的低功耗元器件提供电源。如何提高其能量转换效率,压电能量采集器结构... 详细信息

压电振动能量采集器是一种将环境中的振动能转换为电能的机电耦合系统,具有响应快、无污染、寿命长、结构简单且易于组装等优点,可为微电子、远程监控等工程领域中的低功耗元器件提供电源。如何提高其能量转换效率,压电能量采集器结构的动力学特性分析是其关键所在。以往的压电振动能量采集器研究大多采用等截面矩形悬臂梁结构。近年来相关研究表明,变截面梁具有均匀的应力应变分布,有利于提高压电能量采集器的能量采集效率。于是本论文提出以变截面悬臂梁作为压电能量采集器的振子结构,分别利用渐进摄动方法和多尺度法分析其固有频率和响应,结合有限元方法研究压电振动能量采集器变截面参数对其固有频率和输出电压的影响。论文主要研究内容包括以下三个部分:(1)变截面梁的固有频率分析:利用机械振动理论,基于Euler-Bernoulli梁模型建立变截面梁自由振动的微分方程,该方程为变系数微分方程。首先利用渐进摄动法的思想对其解析求解,最终得到可以计算各种边界条件的变截面梁固有频率的解析公式;以变宽度不锈钢梁和轴向功能梯度梁两个算例,分别求解其固有频率,并通过有限元仿真、实验测试以及已有文献的结果进行对比验证,证明利用渐进摄动方法求解变截面梁固有频率的有效性和准确性。(2)变截面悬臂梁振动响应分析:基于第二章建立的变截面梁受到基础激励时的运动微分方程,该方程为变系数微分方程,利用多尺度法进行摄动求解,得到幅频响应方程;数值模拟变截面压电悬臂梁的响应,分析变截面结构参数、外激励幅值、阻尼等参数对结构响应的影响。(3)变截面悬臂梁压电能量采集器发电特性分析:提出利用变截面悬臂梁结构作为压电振动能量采集器的振子结构,利用有限元法模拟仿真变截面压电振动能量采集器,通过改变自由端与固定端的宽度比,进行模态分析和谐响应分析,分析宽度比对压电能量采集器固有频率及输出电压响应的影响;并分析相同固有频率水平下宽度比对压电振动能量采集器输出电压密度的影响。

关键词：变截面悬臂梁压电能量采集器固有频率渐进摄动法多尺度法

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变截面悬臂梁结构优化设计

变截面悬臂梁结构优化设计

北京力学会第二十七届学术年会

作者：丛雪杜家政北京工业大学材料与制造学部

随着我国工程建设科技水平的不断提升,变截面构件在土木工程特别是在桥梁工程中的运用越来越广泛,人们对梁结构的轻量化设计需求也越来越高。因此,本文以变截面悬臂梁为研究对象,对变截面悬臂梁进行有限元建模,并进行结构静力学分析,然... 详细信息

随着我国工程建设科技水平的不断提升,变截面构件在土木工程特别是在桥梁工程中的运用越来越广泛,人们对梁结构的轻量化设计需求也越来越高。因此,本文以变截面悬臂梁为研究对象,对变截面悬臂梁进行有限元建模,并进行结构静力学分析,然后对悬臂梁截面进行结构优化,分析比较优化前后模型之间的变化。结果显示:优化后的模型重量比优化前减少3.89%,使优化后的模型在满足结构重量最小的要求的同时,又达到了减少材料用量、降低成本的目的。

关键词：变截面悬臂梁优化设计

来源： cnki会议评论

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变截面悬臂梁的刚度叠加法

力学与实践 2011年第2期33卷 89-90页

作者：苑学众刘杰民沈阳建筑大学理学院沈阳110168

利用梁的弯曲刚度与位移成反比的关系,可较为方便地计算变截面悬臂梁端截面的位移.该方法是区别于载荷叠加法和逐段变形效应叠加法的叠加方法.

关键词：变截面悬臂梁弯曲刚度位移叠加法

变截面悬臂梁的Pro/Mechanica有限元法设计

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工业仪表与自动化装置 2014年第6期 64-66,69页

作者：李润兰州石化职业技术学院机械工程系兰州730060

由于工程中所使用的承受均布载荷的等截面积悬臂梁并不经济,使用Pro/Mechanica对受均布载荷的变截面矩形悬臂梁进行等强度分析设计,使得矩形截面梁的质量在强度允许范围内达到最小,从而可以避免材料的浪费,有工程的实用价值和现实意义。

关键词：均布载荷变截面悬臂梁有限元法 Pro/Mechanica

基于弯扭耦合的变截面悬臂梁压电俘能器的有限元分析研究

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基于弯扭耦合的变截面悬臂梁压电俘能器的有限元分析研究

作者：梁鑫湘潭大学

学位级别：硕士

随着科技的发展和人们生活水平不断的提高,低能耗便携式电子设备和无线传感器网络越来越普及。压电俘能器因其整体结构便于微化、使用寿命较长、整体输出功率高等优点而成为了微机电器械的一大发展动力。压电俘能器是利用压电材料的压... 详细信息

随着科技的发展和人们生活水平不断的提高,低能耗便携式电子设备和无线传感器网络越来越普及。压电俘能器因其整体结构便于微化、使用寿命较长、整体输出功率高等优点而成为了微机电器械的一大发展动力。压电俘能器是利用压电材料的压电效应(正压电效应和逆压电效应)进行能量转换而为微机电系统提供能量。为了开发简单高效的压电俘能器,科学家们设计了大量不同的结构并对其进行优化去适应不同的振动环境。目前从结构上去优化压电俘能器的俘能性能大多数都是从提高俘能效率和拓宽俘能频带的角度出发。已有文献报道在弯振系统当中引入扭转运动会有效地拓宽原系统的俘能频带,其原理是利用原系统的弯振运动和后引入的扭转运动相耦合使得引入扭转运动后的弯扭耦合系统能够使得原弯振系统的一、二阶模态更加接近,从而适用于外界环境当中的多频变化。降低结构系统的刚度有利于提高压电俘能器的俘能效率,在该方面有文献报道变截面悬臂梁相对于矩形悬臂梁不仅降低了结构系统的刚度以达到提高俘能效率的目的而且还节省了所需材料;其次有文献报道对弯振系统的矩形主梁进行分割可以降低其系统的阻尼而达到提高俘能效率的目的。但还未有文献报道在变截面悬臂梁引入扭转运动并且对变截面悬臂梁进行宽度分割。因此,本文将变截面悬臂梁引入到弯扭耦合系统中并对其使用宽度分割法,本人的重点工作内容如下几点:(1)本文设计了一种基于弯扭耦合的变截面单悬臂梁压电俘能器,通过引入扭转运动的方式不同而分为两种不同的结构(质量块偏置结构和横梁偏置结构),其次基于宽度分割法的思想把变截面单悬臂梁压电俘能器分割成为变截面双悬臂梁压电俘能器。(2)利用非对称结构引起扭转运动的原理设计了变截面单悬臂梁弯扭耦合压电俘能器(质量块偏置和横梁偏置两种结构)。并利用有限元软件分别对质量块偏置和横梁偏置进行仿真模拟分析。使用有限元软件设计并建立了质量块偏置和横梁偏置这两种结构的几何模型和有限元模型,并对其进行了位移分析和应力分析以检验本文所选择的材料符合材料的屈服强度要求。在一定范围内,分别对变截面单悬臂梁质量块偏置结构的主梁两侧质量块之比m*、主梁长L、压电层厚度t以及外接负载电阻R和变截面单悬臂梁横梁偏置结构的主梁右侧横梁L进行单因素分析。(3)基于宽度分割法的思想设计并建立了变截面双悬臂梁质量块偏置和横梁偏置这两种结构的几何模型和有限元模型,其次利用有限元软件对其进行了位移分析和应力分析以检验该结构所选的材料符合材料的屈服强度要求。基于几何参数的单因素分析法,仿真分析了变截面双悬臂梁质量块偏置结构的主梁两侧质量块之比m*、主梁短边宽度b、双梁间距d以及外接负载电阻R对其俘能性能的影响和变截面双悬臂梁横梁偏置结构的横梁长度L、不同基底层厚度t以及不同外接负载电阻R对其俘能性能的影响。最后对变截面悬臂梁质量块偏置和横梁偏置结构的单梁和双梁进行俘能性能的对比。

关键词：有限元软件弯扭耦合宽度分割法变截面悬臂梁

变截面Timoshenko悬臂梁自由振动分析

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土木建筑与环境工程 2009年第3期31卷 25-28页

作者：潘旦光吴顺川张维北京科技大学土木与环境工程学院北京100083

为考虑剪切变形和转动惯量的影响,基于模态摄动法基本原理,提出了一种求解变截面Timoshenko悬臂梁自由振动问题的近似解法。这一方法是利用等截面Euler梁的特征值和模态,将变截面Timoshenko梁特征方程的偏微分方程组转化为代数方程组进... 详细信息

为考虑剪切变形和转动惯量的影响,基于模态摄动法基本原理,提出了一种求解变截面Timoshenko悬臂梁自由振动问题的近似解法。这一方法是利用等截面Euler梁的特征值和模态,将变截面Timoshenko梁特征方程的偏微分方程组转化为代数方程组进行求解,从而得到变截面Timoshenko梁的特征值和模态。该方法适用于求解任意复杂截面型式梁的动力特性,无论梁的截面变化是否连续。随后对截面阶跃变化和线性变化2类变截面梁进行算例分析,数值分析结果表明,这一方法简单、实用,具有良好的精度。

关键词：变截面悬臂梁 Timoshenko梁模态摄动法自由振动近似解

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变截面压电悬臂梁俘能器的动力学研究

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