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磁悬浮式双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器研究

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振动工程学报 2022年第2期35卷 397-406页

作者：李哲辉袁天辰杨俭宋瑞刚上海工程技术大学城市轨道交通学院上海201620

提出了一种适合采集轨道车辆轴箱振动能量的磁悬浮式双自由度振动能量采集器。基于单自由度磁悬浮振动能量采集器的基本原理,设计磁悬浮式双自由度振动能量采集器的基本构型。利用磁偶极子模型,推导了圆柱磁铁的磁力方程,建立了磁悬浮... 详细信息

提出了一种适合采集轨道车辆轴箱振动能量的磁悬浮式双自由度振动能量采集器。基于单自由度磁悬浮振动能量采集器的基本原理,设计磁悬浮式双自由度振动能量采集器的基本构型。利用磁偶极子模型,推导了圆柱磁铁的磁力方程,建立了磁悬浮式双自由度能量采集系统的动力学方程。考虑到系统具有的强非线性特点,利用龙格⁃库塔方法,得到了系统的幅频响应曲线。根据轨道车辆轴箱实测时间历程和频率分布特点,设计了磁悬浮式双自由度振动能量采集器的核心参数。对比分析单自由度振动能量采集器和双自由度振动能量采集器的频率响应特性。研究结果表明:非线性双自由度振动能量采集器可以有效拓宽俘能装置的工作带宽,进而提高能量采集功率。在简谐振动激励下,双自由度振动能量采集器比单自由度振动能量采集器的输出功率增加了约1.1倍,且工作带宽可以拓宽约2.7倍;在实测的轨道车辆轴箱振动激励下,双自由度振动能量采集器在一站间可采集到31.5 mJ能量,峰值感应电流为14.6 mA,峰值输出功率为9.4 mW。

关键词：能量采集器磁悬浮式双自由度轴箱龙格⁃库塔法

周期荷载作用下拱式振动能量采集器的压电分析

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工程力学 2022年第S01期39卷 364-369页

作者：董可杰刘爱荣唐浩杨智诚广州大学风工程与工程振动研究中心广州510006 仲恺农业工程学院城乡建设学院广州510225

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限... 详细信息

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限元计算模型,分析周期荷载作用幅值、激励频率、负载电阻、压电片位置和基础层材料等参数对能量采集器压电性能的影响,确定采集器的最优设计参数。

关键词：拱周期荷载波浪能压电能量采集器

一类双层薄膜结构振动能量采集器的数据驱动建模方法及应用

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力学学报 2023年第10期55卷 2189-2198页

作者：邱宏蕴王志霞丁北王炜天津大学机械工程学院天津300350

随着工程研究对象日益复杂化、系统化,单纯依赖先验知识的力学建模手段难以满足日渐复杂的系统建模需求.相比而言,数据驱动通过大数据处理方法得到准确反映系统当前运动状态的数学模型,体现了数据科学融入基础与应用科学领域的发展趋势... 详细信息

随着工程研究对象日益复杂化、系统化,单纯依赖先验知识的力学建模手段难以满足日渐复杂的系统建模需求.相比而言,数据驱动通过大数据处理方法得到准确反映系统当前运动状态的数学模型,体现了数据科学融入基础与应用科学领域的发展趋势.特别是稀疏非线性动力系统辨识算法(SINDy)的出现,解决了直接构建非线性数学模型的难点问题,实现了由实验数据到非线性控制方程的直接过渡.然而,受制于噪声数据的影响显著以及奇异矩阵难以准确分析等因素,SINDy在实际应用中的可靠性仍有待加强.有鉴于此,文章在已有SINDy算法基础上提出增强型稀疏筛选辨识算法(ESINDy),改进了数据滤波模块以强化其对于含噪信号的处理能力,并且改变了原有算法的循环函数体,以提高其对于奇异问题的识别能力,使之更适于分析工程信号中常见的强噪声、高奇异性等问题.作为应用,研究了一类双层薄膜结构电磁式振动能量采集器(EMH),利用理论建模与ESINDy方法相结合的手段建立了采集器动力学方程,并通过实验和仿真对理论结果进行验证.结果表明:相比于SINDy算法,ESINDy算法能够更加准确地识别该动力学系统的信息,刻画系统蕴含的复杂振动行为.理论、实验和仿真结果较好的一致性体现了改进算法对于提高实际非线性系统识别精度的有效性,强化了数据驱动建模方法的工程应用价值,为实际工程问题中的信号处理提供了一种可行的分析方法.

关键词：数据驱动数据滤波能量采集器

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新型柔性结构的能量采集器设计与分析

传感器与微系统 2023年第8期42卷 95-98页

作者：高俊杰赵晓彤马文娟西安明德理工学院艺术与设计学院陕西西安710124

通过在聚酰亚胺(PI)箔上喷墨打印银电极,再将其面对面粘合到双面胶带上完成能量采集器制做。制造的能量采集器在压力范围1 Pa~2 kPa内的响应时间为0.25 s。电容随压力的变化呈非线性,即ΔC/C_(0)=P^(n),n=0.58。低于200 Pa压力时,灵敏... 详细信息

通过在聚酰亚胺(PI)箔上喷墨打印银电极,再将其面对面粘合到双面胶带上完成能量采集器制做。制造的能量采集器在压力范围1 Pa~2 kPa内的响应时间为0.25 s。电容随压力的变化呈非线性,即ΔC/C_(0)=P^(n),n=0.58。低于200 Pa压力时,灵敏度高于0.5 kPa^(-1);高达2 kPa压力时,灵敏度高于0.08 kPa^(-1)。将该能量采集器嵌入在纱布中,可用于对人体的直接测量。可用于监测纱布粘在皮肤表面的牢固程度,以降低缺血风险;还用于监测患者行走时脚踝的运动,以及监测施加在脚上的压力。

关键词：能量采集器喷墨印刷装置纱布伤口监测

变截面压电悬臂梁能量采集器在高斯白噪声激励下的稳态统计特性研究

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振动工程学报 2024年第5期37卷 864-874页

作者：周坤涛杨涛葛根郝淑英冯晶晶张琪昌天津工业大学机械工程学院天津300387 天津理工大学工程训练中心天津300384 天津理工大学机械工程学院天津300384 天津大学机械工程学院天津300072

环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率... 详细信息

环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率密度函数以及稳态均方输出电压,随后研究了变截面压电梁的能量采集效能。结果表明:负载电阻一定时,截面系数β>0时的变截面压电梁相比β=0时的等截面压电梁有更好的稳态均方输出电压;截面系数β>0时,随着电阻电容乘积的倒数的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐减小的趋势,当电阻电容乘积的倒数值一定时,β值越大,均方电压也越高;随着噪声强度的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐增大的趋势,当噪声强度一定时,β值越大,均方电压也越高。本文研究结果可为变截面压电悬臂梁能量采集系统的设计及应用提供理论依据。

关键词：能量采集器变截面压电悬臂梁高斯白噪声激励稳态概率密度均方电压

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基于拱形结构的摩擦-压电复合式能量采集器

微纳电子技术 2022年第2期59卷 145-150,194页

作者：石树正熊枫季喜军河北建筑工程学院机械工程学院河北张家口075000 山西工程职业学院建筑与测绘工程系太原030006 山西工程科技职业大学汽车工程学院山西晋中030619

随着纳米技术和加工工艺的发展,纳米发电机被提出用于将自然界中微弱低频振动机械能转化为电能,进而为小型传感系统长续航工作提供可能。基于摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的电荷积累与转移规律,设计了拱形结构并构建了摩擦-压电复合... 详细信息

随着纳米技术和加工工艺的发展,纳米发电机被提出用于将自然界中微弱低频振动机械能转化为电能,进而为小型传感系统长续航工作提供可能。基于摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的电荷积累与转移规律,设计了拱形结构并构建了摩擦-压电复合式能量采集器,将两种力-电转换模式有效整合,并突破了以往能量采集器只能收集垂直方向机械能的限制。搭建了测试系统,研究了能量采集器的输出性能。摩擦单元经过整流后的输出开路电压和输出短路电流分别可达60 V和1.25μA,压电单元经过整流后的输出开路电压和输出短路电流分别为约10 V和约0.9μA。此外,制备的能量采集器不仅可为电容进行充电,还可点亮50只发光二极管(LED),在驱动小型电气设备领域展现出应用潜力。

关键词：摩擦纳米发电机压电纳米发电机能量采集器传感系统自供电系统

抗磁悬浮振动能量采集器动力学响应的仿真分析

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物理学报 2018年第1期67卷 265-272页

作者：秦立振张振宇张坤丁建桥段智勇苏宇锋郑州大学机械工程学院郑州450001 郑州大学物理工程学院郑州450001

分析了微型抗磁悬浮振动能量采集器中悬浮磁体的受力特性,发现了能量采集器的单稳态和双稳态现象,研究了能量采集器在不同工作状态下该两种稳态类型时的动力学响应特性.当能量采集器处于非工作的单稳态状态时,其动力学响应是在线性系统... 详细信息

分析了微型抗磁悬浮振动能量采集器中悬浮磁体的受力特性,发现了能量采集器的单稳态和双稳态现象,研究了能量采集器在不同工作状态下该两种稳态类型时的动力学响应特性.当能量采集器处于非工作的单稳态状态时,其动力学响应是在线性系统的基础上加入非线性扰动、幅频响应曲线向右偏转;热解石墨板间距越大,非线性扰动越强烈,右偏现象则越显著.当能量采集器处于非工作的双稳态状态时,其动力学响应比较复杂,出现倍周期、4倍周期以及混沌等非线性系统特有的现象.当能量采集器处于工作状态的双稳态状态时,其振动频率和外界激励频率保持一致,进行周期振动.该研究对抗磁悬浮振动能量采集器的结构设计具有重要的参考价值,为提高能量采集器的响应特性和输出性能提供了理论指导.

关键词：抗磁悬浮能量采集器动力学响应非线性

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低频振动拱式压电能量采集器的设计与研究

低频振动拱式压电能量采集器的设计与研究

作者：董可杰广州大学

学位级别：硕士

自然环境中蕴含着大量能源,可分为可再生能源(太阳能、风能、海洋波浪能等)和不可再生能源(石油、天然气、煤炭等),其中风能和波浪能等属于清洁能源,大多情况下以水平振动方式存在,可以通过能量采集装置进行能量采集,将振动能转化为电能... 详细信息

自然环境中蕴含着大量能源,可分为可再生能源(太阳能、风能、海洋波浪能等)和不可再生能源(石油、天然气、煤炭等),其中风能和波浪能等属于清洁能源,大多情况下以水平振动方式存在,可以通过能量采集装置进行能量采集,将振动能转化为电能,并将电能存储起来,解决无线传感节点自供能的问题,所以近年来,能源采集技术已经成为一个研究的焦点。本文设计了一种新型的低频振动拱式压电能量采集器,用于采集自然界的振动能量,具体研究内容如下:(1)设计出了新型低频拱式能量采集器。能量采集器主要由激发装置、齿轮传动组、拱式基础层以及压电层等组成。当上部的激发装置受到水平方向的振动时,会将振动的机械能通过齿轮传动组将能量传递到拱式基础层上,拱式基础层变形时,贴放在基础层上的压电片也会产生变形从而实现将机械能转化为电能。低频的水平振动可以通过齿轮传动组件进行“放大”,从而提高采集能量的效率。(2)建立了低频拱式能量采集器的实验系统。通过位移测量和快速傅里叶变换得到基础层的自振频率,基于控制变量法分析基础层宽度、压电片尺寸、压电片位移、基础层矢跨比、外激励频率、负载电阻和串并联电路这些参数对能量采集器压电响应的影响。实验研究表明可以通过减小基础层宽度、增大压电片贴放尺寸、在拱顶贴放压电片和减小基础层矢跨比来提高能量采集器的电能输出。另外,通过拱顶位移测量,证明了能量采集器的齿轮传动组对水平振动激励频率的放大作用。(3)完成了低频拱式能量采集器的有限元分析。通过数值模型对能量采集器进行模态分析和输出电压时程分析,然后开展了基础层宽度、压电片尺寸、压电片位置、矢跨比、拱顶激励频率、负载电阻、串并联电路的参数分析研究。有限元分析进一步验证了几何特性、负载电阻、串并联电路影响能量采集器的压电响应的一般规律。同样地,通过激励频率参数分析,表明利用共振响应可以提高能量采集器的压电输出。

关键词：水平振动低频拱式压电响应有效输出能量采集器

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考虑尺度效应的微振动能量采集器建模

振动与冲击 2019年第12期38卷 148-152页

作者：李创业霍睿王伟科赵辰山东大学机械工程学院济南250061 山东大学高效洁静机械制造教育部重点实验室山东济南250061 中国人民解放军32145部队机要科河南新乡453000

考虑尺度效应[1],引入等效杨氏模量以便于对微压电悬臂梁进行有限元建模。搭建了振动特性实验平台,验证了考虑尺度效应的微梁动力学模型准确有效。在此基础上完善了微振动能量采集器的动力学模型,设计并制备了T型Si悬臂梁振动能量采集... 详细信息

考虑尺度效应[1],引入等效杨氏模量以便于对微压电悬臂梁进行有限元建模。搭建了振动特性实验平台,验证了考虑尺度效应的微梁动力学模型准确有效。在此基础上完善了微振动能量采集器的动力学模型,设计并制备了T型Si悬臂梁振动能量采集器。通过实验测试得到采集器的谐振频率、尖端位移和输出电压,与有限元分析结果相比较,改进模型比宏观模型的误差降低了13%,35%和22%。

关键词：尺度效应能量采集器建模微压电悬臂梁