面向宽频激励的非线性振动能量转化方法研究

摘要

振动能量转化旨在采集机械振动中蕴含的能量，并将其转化为便于储存、利用的其他形式能，如电能。传统共振式振动能量转化系统仅能有效采集并转化其共振频率附近极窄频段内的振动能量，然而自然界广泛存在的机械振动大都具有宽频、随机的特点，这使得传统振动能量转化方法的局限性大大凸显。因此，有效采集并转化宽频、随机振动中的机械能，成为了目前振动能量转化技术发展的关键。
　　本文设计了一种可以产生三种不同非线性磁场力的结构，即“三对称”永磁体组。将“三对称”永磁体组与传统悬臂梁式压电振动能量转化系统相结合，形成一款可以产生刚度软化、刚度硬化、以及刚度偏置三种非线性特性的悬臂梁式压电换能器。
　　基于达朗贝尔原理提出了一种简化的非线性动力学建模方法，并利用该方法建立了非线性悬臂梁式压电换能器的等效动力学模型。进而，推导了其非线性力-电转化方程，为“分析非线性特性对于振动能量转化系统的影响”以及“为振动能量转化系统针对性设计所需要的非线性特性”提供了理论支撑。
　　通过数值仿真，对比分析了三种非线性压电换能集器与线性压电换能器在简谐激励、线性扫频激励、以及宽频随机激励下的电压输出特性。结果表明：非线性压电换能器在简谐激励下相比线性压电换能器无明显优势；而在线性扫频激励和宽频随机激励下，非线性压电换能器，尤其是刚度软化类型，在拓宽工作频带、提高整体力-电转化效率方面具有优势。
　　为确保所设计的非线性压电换能系统的优势能够最大程度得以体现，围绕非线性特性产生的源头，即“三对称”永磁体结构参数，进行了优化设计。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 本文研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文内容结构

第二章 压电换能基础理论

2.1 引言

2.2 压电材料与压电效应

2.3 压电方程

2.4 压电振子工作模式

2.4 本章小结

第三章 线性压电换能器动力学建模与分析

3.1 引言

3.2 线性悬臂梁式压电换能器动力学建模

3.3 线性悬臂梁式压电换能器力学特性分析

3.4 线性悬臂梁式压电换能器力-电转化特性分析

3.5 本章小结

第四章 非线性压电换能器动力学建模与分析

4.1 引言

4.2 磁场力非线性特性研究

4.3 非线性压电换能器动力学建模

4.4 非线性压电换能器力-电转化特性分析

4.5 本章小结

第五章 非线性压电换能器优化设计

5.1 引言

5.2 永磁体构型确定

5.3 “三对称”永磁体组参数优化

5.4 本章小结

第六章 结 束 语

6.1 全文工作总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果