宽带旋转运动非线性压电俘能理论与实验研究

摘要

如何为无线微小传感节点持续供电是目前制约旋转部件嵌入式传感应用的关键技术难点之一，利用压电效应俘获旋转运动能量是一种极具潜力的解决途径。而工程应用场合中旋转部件转速往往在宽带范围内动态变化，不适合于线性压电俘能，因此如何引入非线性来增强宽带旋转运动压电俘能性能正成为一个研究热点，具有重要研究意义和应用价值。　　非线性压电振子在旋转运动状态时的受力比直线运动时要复杂得多，使得如何控制和利用非线性、优化设计非线性压电振子结构成为实际中需要解决的首要关键问题。但目前尚缺乏从理论上对旋转运动非线性压电俘能特性进行深入研究，未能揭示非线性实现宽频带旋转运动压电俘能的机理。本文正是在国家自然科学基金项目的资助下，通过引入非线性磁力和混沌动力学理论，深入开展宽带旋转运动非线性压电俘能理论研究，揭示非线性增强宽带旋转运动压电俘能的机理与量化条件，对实际应用具有重要理论指导意义。　　主要内容和结论包括：　　1、引入非线性磁力和压电耦合效应，采用拉格朗日方程和假设模态方法，提出了旋转运动非线性压电振子的动力学建模方法，建立了旋转运动非线性压电俘能系统的数学模型，为开展理论研究奠定了基础。　　2、研究并比较了基于有限差分法和龙格库塔法的两种模型数值求解方法，以上述模型为基础，分别在宽频和单频转速下数值仿真分析了非线性压电振子不同结构参数对旋转运动压电俘能的影响特性，结果表明磁铁间距是一个重要参数，合适的磁铁间距能有效拓宽旋转运动压电俘能系统带宽，并进行了定性解释。　　3、引入Melnikov方法，推导了旋转运动非线性压电俘能系统的Melnikov函数，揭示了双势阱势函数是实现宽频带旋转运动能量俘获的重要机理基础，并提出了相应的量化必要条件。　　4、仿真拟合了非线性磁力大小，建立了旋转运动非线性压电振子的有限元模型，仿真分析了不同结构参数对旋转运动压电俘能性能的影响，对理论结果进行了初步验证。　　5、设计并构建了旋转运动非线性压电俘能实验台，对其俘能特性和发电能力进行了实验测试，结果表明：合适的非线性磁力能明显提升了旋转运动压电俘能性能、且拓宽了其带宽，从而验证了理论和仿真结果的正确性；同时，其发电输出功率能满足低功耗传感器功耗需求，也验证了应用的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 宽频带旋转运动压电俘能技术研究现状

1.3 论文的研究思路及内容安排

第二章 旋转运动非线性压电俘能系统理论建模与特性分析

2.1 旋转运动非线性压电俘能系统基本结构

2.2 基于拉格朗日方程的非线性旋转压电振子动力学分析

2.3 旋转运动非线性压电俘能机电耦合模型

2.4 旋转运动非线性压电俘能模型数值计算方法

2.5 不同参数对旋转运动非线性压电俘能性能的影响特性分析

2.6 本章小结

第三章 基于Melnikov方法的非线性增强宽带旋转运动压电俘能机理

3.1 引言

3.2 基于Melnikov理论的平面系统运动分析

3.3 旋转运动非线性压电俘能系统的状态空间描述

3.4 基于Melnikov函数的旋转运动非线性压电俘能增强机制分析

3.5 本章小结

第四章 旋转运动非线性压电振子有限元建模与俘能仿真

4.1 旋转非线性压电振子参数化有限元建模

4.2 宽带旋转运动下非线性压电俘能特性有限元仿真分析

4.3 单频旋转运动下非线性压电俘能特性有限元仿真分析

4.4 本章小结

第五章 宽带旋转运动非线性压电俘能实验研究

5.1 实验系统设计与构建

5.2 宽带旋转运动时非线性压电振子俘能的实验测试

5.3 单频旋转运动时非线性压电振子俘能实验测试

5.4 发电能力测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果