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双侧约束悬臂梁碰撞运动的擦边分岔及其脉冲控制

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双侧约束悬臂梁碰撞运动的擦边分岔及其脉冲控制

作者：史美娇太原理工大学

学位级别：硕士

悬臂梁碰撞系统是一类典型的非光滑动力系统,在碰撞振动系统中有广泛的工程实际应用.碰撞能导致一种系统轨线与约束面擦切的特殊现象,这种特殊现象会使碰撞系统产生复杂的动力学行为.本文研究了具有双侧约束悬臂梁碰撞系统的擦边动力学... 详细信息

悬臂梁碰撞系统是一类典型的非光滑动力系统,在碰撞振动系统中有广泛的工程实际应用.碰撞能导致一种系统轨线与约束面擦切的特殊现象,这种特殊现象会使碰撞系统产生复杂的动力学行为.本文研究了具有双侧约束悬臂梁碰撞系统的擦边动力学及其控制,主要内容如下:研究了具有双侧弹性约束和双侧刚性约束两类悬臂梁系统擦边诱导的非光滑动力学.首先,基于碰撞悬臂梁的动力学方程和擦边点的定义,分析了双侧擦边周期运动的存在性条件.其次,选取零速度为庞加莱截面,推导了双侧擦边轨道附近带参数的高阶不连续映射.然后,结合光滑流映射和高阶不连续映射建立了新的复合分段范式映射.最后,通过对比低阶范式映射和高阶范式映射的分岔图验证了高阶范式映射的有效性,数值仿真进一步揭示了双侧约束碰撞悬臂梁的擦边动力学.研究了双边约束碰撞悬臂梁系统擦边动力学的脉冲控制.针对刚性碰撞的特点,发展了一种状态依赖的脉冲控制方法,建立了受控系统碰撞周期运动的Poincar(?)映射,给出了碰撞周期运动的稳定性控制条件,基于控制条件,通过选择适当的控制增益将擦边附近的混沌运动控制到稳定的周期轨道.依据不连续映射理论,给出了双边碰撞悬臂梁擦边分岔的稳定性判据以及两种可能的不连续擦边分岔情形,基于擦边轨道的稳定性判据,发展了一种固定时刻的脉冲控制方法,获得了擦边分岔的稳定性控制区域,实现了跳跃不连续擦边分岔的控制.

关键词：悬臂梁双边约束碰撞系统不连续映射擦边非光滑分岔擦边控制

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悬臂梁压电式能量收集器方向性效率的研究

仪器仪表学报 2019年第3期40卷 181-187页

作者：陆颢瓒朱宇宬刘琪才王德波南京邮电大学电子与光学工程学院南京210023 南京大学近代声学教育部重点实验室南京210093

为了研究振动激励方向变化对悬臂梁压电能量收集器(VEH)的电能输出的影响,建立了单悬臂梁能量收集器在任意方向振动激励下的动力学模型以及压电效应的输出模型。振动激励方向根据悬臂梁平面建立的球面坐标系的两个角度参数φ和θ定义,... 详细信息

为了研究振动激励方向变化对悬臂梁压电能量收集器(VEH)的电能输出的影响,建立了单悬臂梁能量收集器在任意方向振动激励下的动力学模型以及压电效应的输出模型。振动激励方向根据悬臂梁平面建立的球面坐标系的两个角度参数φ和θ定义,通过理论和仿真分析,发现振动激励方向改变时能量收集器的吸收效率随φ的增加呈余弦变化,随θ的增加呈正弦变化,但φ对收集效率的影响远大于θ的影响。实验表明,θ=0°时,φ从0°增加到90°,吸收效率从理论最高效率的93.52%降低到2.88%,而φ=90°时,θ从0°增加到90°,吸收效率则从2.88%变化到3.88%,得到了悬臂梁能量收集器的输出和激励方向之间的关系,对悬臂梁压电振动能量收集器的设计和研究具有一定的参考价值。

关键词：悬臂梁压电效应能量收集器方向性最佳接收

附加斜弹簧支撑的悬臂梁碰撞系统的全局动力学研究

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附加斜弹簧支撑的悬臂梁碰撞系统的全局动力学研究

作者：张绎沣太原理工大学

学位级别：硕士

梁作为工程中广泛使用的结构单元,一方面,在应用设计时经常需要考虑这类结构在碰撞冲击作用下的承载能力;另一方面,碰撞冲击引发的振动会对梁结构产生许多负面的影响。因此研究碰撞冲击梁的振动与控制已成为非线性动力学领域的热点之一... 详细信息

梁作为工程中广泛使用的结构单元,一方面,在应用设计时经常需要考虑这类结构在碰撞冲击作用下的承载能力;另一方面,碰撞冲击引发的振动会对梁结构产生许多负面的影响。因此研究碰撞冲击梁的振动与控制已成为非线性动力学领域的热点之一。本文研究了刚性约束下附加斜弹簧支撑的悬臂梁的次谐分岔和混沌的全局动力学。文章的具体研究内容如下:(1)建立了双侧非对称刚性约束下附加斜弹簧支撑的悬臂梁碰撞系统的动力学方程,为了解决斜弹簧支撑结构刚度项的超越函数形式给解析研究系统混沌和次谐分岔造成的困难,近似拟合了该系统的刚度项并通过对比分析近似系统和原系统的刚度函数、势函数、同宿轨道及其内外侧的次谐轨道验证了刚度近似的有效性。(2)根据悬臂梁双侧约束的不同位置,给出了未扰系统八种碰撞同宿轨道附近次谐运动的分布情况;建立了同宿轨道左右约束边界附近内部次谐解流形的映射关系;将Melnikov方法发展应用于非光滑的碰撞悬臂梁系统,确立了系统发生次谐分岔的阈值条件;揭示了阻尼、激励频率、激励幅值以及碰撞恢复系数对次谐分岔的影响规律。(3)通过发展Melnikov方法确立了悬臂梁碰撞系统发生同宿混沌的阈值条件;基于阈值确定了系统的潜在混沌区域,通过相图和Poincaré映射图对比分析原系统和近似系统的混沌运动发现具有很好的吻合度,进一步说明基于近似系统来分析原系统的混沌是有效的;然后,揭示了阻尼、激励频率等参数对同宿混沌的影响规律;此外,利用光滑流形的特征乘子并结合碰撞函数分析了碰撞次谐轨道的稳定性并基于阈值条件分析了次谐分岔与混沌的关系,数值仿真验证了理论分析的有效性。

关键词：悬臂梁双边刚性约束碰撞系统 Melnikov方法次谐分岔同宿混沌

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悬臂梁压电发电机的基频谐振频率与功率

东南大学学报（自然科学版） 2011年第6期41卷 1177-1181页

作者：邹玉炜黄学良谭林林东南大学电气工程学院南京210096

为了消除悬臂梁振动压电发电机的Roundy理论模型因未考虑质量块长度而带来的误差,在考虑质量块长度的前提下,以质量块质心作用于悬臂梁处的挠度为自由度,建立了悬臂梁振动压电发电机的模型,并得到了基频谐振频率、输出电压和输出功率的... 详细信息

为了消除悬臂梁振动压电发电机的Roundy理论模型因未考虑质量块长度而带来的误差,在考虑质量块长度的前提下,以质量块质心作用于悬臂梁处的挠度为自由度,建立了悬臂梁振动压电发电机的模型,并得到了基频谐振频率、输出电压和输出功率的理论表达式.数值仿真表明:当质量块长度与悬臂梁长度接近时,该模型与Roundy模型之间的偏差较大;而当质量块长度与悬臂梁长度相差较大时,该模型与Roundy模型之间的偏差较小.实验结果表明,该模型与实验结果的误差要小于Roundy模型,该模型的精度要高于Roundy模型.

关键词：振动能量收集振动压电发电机悬臂梁谐振频率

悬臂梁易损部件在矩形加速度脉冲激励下的动力学响应与有限元分析

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振动与冲击 2016年第5期35卷 191-195页

作者：卢富德许晨光高德徐锋浙江大学宁波理工学院浙江宁波315100

为分析悬臂梁易损部件在矩形脉冲激励下的振动响应,推导出悬臂梁在悬臂端处动态应力的近似解析解,得到最大应力与矩形脉冲峰值之间的关系,分析结果表明:在速度变化量一定时,最大应力随加速度脉冲幅值的增加而增加,但会无限逼近极限值。... 详细信息

为分析悬臂梁易损部件在矩形脉冲激励下的振动响应,推导出悬臂梁在悬臂端处动态应力的近似解析解,得到最大应力与矩形脉冲峰值之间的关系,分析结果表明:在速度变化量一定时,最大应力随加速度脉冲幅值的增加而增加,但会无限逼近极限值。最后建立了易损件-质量主体在矩形脉冲激励下的有限元模型,并与解析解进行了对比,发现运用2阶振动模态即可得到精确的悬臂梁的应力响应,所取得的研究成果为具有悬臂梁式易损件在蜂窝纸板缓冲作用下的防护提供理论基础。

关键词：悬臂梁易损件有限元加速度脉冲

基于悬臂梁型摩擦纳米发电机的钻杆振动能量收集技术研究

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基于悬臂梁型摩擦纳米发电机的钻杆振动能量收集技术研究

作者：连珍慧大连海事大学

学位级别：硕士

随着智能钻井技术的发展,钻井过程中需要大量传感器对钻探过程中的温度、压力、振动、深度、加速度等信息进行监测。然而复杂恶劣的钻井条件对于传感器的布放与供能带来巨大挑战,亟需研发环境能量捕获技术以实现钻杆传感器的能量自供给... 详细信息

随着智能钻井技术的发展,钻井过程中需要大量传感器对钻探过程中的温度、压力、振动、深度、加速度等信息进行监测。然而复杂恶劣的钻井条件对于传感器的布放与供能带来巨大挑战,亟需研发环境能量捕获技术以实现钻杆传感器的能量自供给。作为一种新兴的能量捕获技术,摩擦纳米发电机能够将微弱的机械运动高效转换成电能,受到国内外广泛关注。为此,本文创新性地提出了一种嵌入在钻杆内部的悬臂梁型摩擦纳米发电机(Cantilever Beam-Based Triboelectric Nanogenerator,CB-TENG),用于收集钻杆振动能量,以实现为钻杆传感器供能。本文设计的CB-TENG结构由双振子和交叉倾斜的铝电极组成,其中振子由弹簧钢和附着于其表面的聚四氟乙烯(PTFE)介电柔性薄膜组成。振子在振动源周期性的激励下与铝电极交替接触分离,两介电层的内建电场不断发生变化,驱动电子在外电路中流动,从而产生电输出。为了获得高性能CB-TENG,本文研究了结构参数、振动工况和阵列单元数对CB-TENG输出性能的影响。主要研究内容和结果如下:(1)本文研究的结构参数包括背板结构、振子数量与弹簧钢厚度。采用交叉板结构的CB-TENG比采用平行板有更好的输出,转移电荷量与开路电压分别提高了2倍和1.55倍。双振子的输出性能优于单振子,最大开路电压提升了2.86倍。弹簧钢厚度对CB-TENG的输出影响呈现先增加后降低的趋势,在厚度为0.12mm时取得峰值输出。(2)探究了CB-TENG在不同振动频率、振动幅度及振动方位角的输出特性。电输出随着振动频率及振动幅度的增长呈现同步增长趋势。但随着振动方位角的增加,电输出呈现衰减趋势,与此同时电输出变得不稳定。(3)设计了CB-TENG的圆周阵列结构以匹配钻杆的结构特性,并研究了其阵列输出特性。随着并联单元数量的增加,开路电压基本不发生变化;短路电流呈现线性增加,从10μA增长至49.85μA,增长了3.985倍;峰值功率也呈现线性增长,从2.528m W增长至30.95m W;然而外接负载呈现指数减小趋势,从160MΩ减小到16MΩ。同时,CBTENG表现出较好的鲁棒性,可以作为电源为小型的传感器及LED灯供电。综上,本文研究的CB-TENG能够在适应钻杆尺寸的基础上有效地收集钻杆振动中的能量。其有望成为一种新型的井下电力供给方式,作为一种补充方式或与现有的供电方式联合使用,推进智能钻探技术的发展。

关键词：摩擦纳米发电机振动能量收集自供能智能钻井悬臂梁

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悬臂梁光纤光栅磁场传感器(英文)

光电子．激光 2001年第1期12卷 7-9页

作者：赵伟锋盛秋琴董孝义黄培忠刘志国余有龙南开大学物理系天津300071 黑龙江大学黑龙江哈尔滨150080

介绍一种新的磁场传感器的原理 ,传感元件为贴在等腰三角梁上的光纤光栅。实验上测得该传感器的灵敏度为 18.1T/nm,与理论值 17.6 T/nm相吻合。

关键词：光纤光栅磁场传感器悬臂梁

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二维纳米材料磁性探测的双臂微悬臂梁设计

红外与激光工程 2022年第4期51卷 321-325页

作者：种波陈博杨陈长城田东平西安建筑科技大学理学院陕西西安710055

磁共振弱力探测技术能够对物质实现非破坏性的高精度结构信息探测,在物理、生物、医学等领域有着非常重要的应用。该技术中,超灵敏悬臂梁是实现弱力探测的核心组成之一。近年来,二维纳米材料由于其奇特的物理特性得到了越来越多的关注... 详细信息

磁共振弱力探测技术能够对物质实现非破坏性的高精度结构信息探测,在物理、生物、医学等领域有着非常重要的应用。该技术中,超灵敏悬臂梁是实现弱力探测的核心组成之一。近年来,二维纳米材料由于其奇特的物理特性得到了越来越多的关注。为实现对二维纳米材料磁性的探测,基于单臂微悬臂梁模型,利用差动放大的方法,提出了双臂微悬臂梁的设计,并分析了双臂微悬臂梁中上下球形磁探针内外部的磁场分布,最后以单晶硅悬臂梁和钐钴合金磁球探针为例,对该悬臂梁进行数值模拟,发现该方案能够显著提高悬臂梁的探测灵敏度。

关键词：磁共振技术弱力探测悬臂梁灵敏度

Galfenol悬臂梁能量采集器的机电耦合动态模型

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中国电机工程学报 2015年第21期35卷 5623-5631页

作者：曹淑瑛桑杰郑加驹王博文电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室(河北工业大学) 天津市红桥区300130 中国电子科技集团公司第五十四研究所河北省石家庄市050081

依据欧拉–伯努利梁结构动力学理论、磁致伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律,建立Galfenol悬臂梁振动能量采集器的分布参数机电耦合动态模型,由该模型推导出器件的频率特性表达式。计算在加速度激励下,器件输出的电压、电流、... 详细信息

依据欧拉–伯努利梁结构动力学理论、磁致伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律,建立Galfenol悬臂梁振动能量采集器的分布参数机电耦合动态模型,由该模型推导出器件的频率特性表达式。计算在加速度激励下,器件输出的电压、电流、功率和顶端相对位移,并对器件的机电双向耦合重要动力学特性,如短路和开路行为,进行深入研究。计算结果与实验结果的比较表明,该模型能提供器件在低加速度激励时的合理数据趋势,并能预测器件在多阶模态下的机电双向耦合动态特性。建立的模型对于器件的整体性能预估、设计、控制和使用具有重要的指导作用。

关键词： Galfenol 悬臂梁振动能量采集器分布参数机电耦合