基于模型降价的压电俘能器与外接电路的耦合仿真

摘要

近年来，随着化石能源的大量使用，其储备量急剧下降，开发新能源迫在眉睫。在土木工程领域，利用压电俘能器俘获交通环境振动能，并用来给无线传感设备供电，以便更好的实现结构健康监测，这是目前研究的热点。而如何快速且准确的计算环境中复杂荷载作用下压电俘能器的俘能输出是其中最为关键的部分。目前已有的主流程序及算法仍然不能实现完全的压电俘能器-外接电路耦合仿真。因此，致力于能快速处理复杂荷载下耦合仿真问题的程序是必要的。
　　本文基于有限元方法和模型降阶技术，提出了一种新型的考虑压电俘能器双向耦合作用和考虑外接电路协同分析的系统级仿真方法。具体工作如下:
　　首先，利用COMSOL有限元软件建立起悬臂梁式压电俘能器模型，并且利用其中的内置命令提取模型的系统矩阵，包括刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。施加边界条件后，建立了俘能器的动力控制方程。
　　其次，采用Krylov子空间降阶方法和特征值子空间降阶方法对控制方程进行降阶，获得降阶模型，在能够保持系统关键动力特性的同时，大大提高了运算效率。此外基于SIMULINK测试平台，对纯电阻电路、标准俘能电路进行了系统级仿真，并且利用等效阻抗法谐响应理论解验证了此方法的可行性;利用特征值降阶方法可以快速获取压电俘能器的等效电路参数，基于等效电路法，模拟了S-SSHI电路与P-SSHI电路的俘能特性;其结果都显示出了良好的匹配性能。
　　最后，采集车致桥梁振动的竖向加速度时程，基于SIMULINK仿真环境，模拟了复杂荷载作用下压电俘能器的输出电压值。
　　本文所提出的系统级仿真模型，适用于任何复杂几何形状的俘能器，也就是不仅仅只适用于悬臂梁式压电俘能器，对于外形复杂的模型同样适用;而且基于系统级的仿真分析方法可与任何复杂电路相连接，由于仿真模型只考虑荷载的输入与电学项的输出，更加方便了外接俘能电路的设计;此外，外部激励可以是任何复杂荷载。以上三个方面的功能大大提高了分析方法的适用范围。

目录

声明

致谢

摘要

1．1课题的研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1理论与数值模型

1．2．2电路与能量存储

1．3研究内容与方法

2基本理论

2．1压电俘能器简化模型

2．1．1集总参数模型

2．1．2分布参数模型

2．1．3有限元模型

2．2压电俘能输出求解方法

2．2．1等效电路法

2．2．2等效阻抗法

2．2．3软件耦合法

2．3模型降阶基本理论

2．3．1渐近波形估计理论

2．3．2 Krylov子空间降阶理论

2．3．3特征值降阶理论

2．4本章小结

3 压电俘能器的模型降阶方法与理论求解

3．1有限元模型

3．1．1模型介绍

3．1．2控制方程的建立

3．2模型降阶方法

3．2．1 Krylov子空间降阶方法

3．2．2特征值降阶方法

3．3谐响应理论分析

3．4瞬态耦合仿真

3．4．1基于Krylov子空间的状态空间法

3．4．2基于EigMOR的等效电路法

3．5本章小节

4 压电俘能器与外接电路的耦合仿真

4．1纯电阻电路

4．2标准俘能电路

4．3并联同步开关电感电路

4．4串联同步开关电感电路

4．5本章小结

5 车致振动下压电俘能器的俘能输出

5．1 连续梁桥的竖向振动加速度测试

5．2压电俘能器的俘能输出分析

5．3本章小结

6结论与展望

6．1 主要工作和研究结论

6．2思考和展望

参考文献

作者简历

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