磁耦合式双稳态宽频压电俘能器的设计和俘能特性

作     者：张伟 刘爽 毛佳佳 黎绍佳 曹东兴 Zhang Wei;Liu Shuang;Mao Jia-Jia;Lai Siu-Kai;Cao Dongxing

作者机构：北京工业大学材料与制造学部机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室北京100124 香港理工大学土木及环境工程学系中国香港九龙999077 

基　　金：国家自然科学基金(12172012,11802005,11832002,11972051) 北京工业大学国际科研合作种子基金(2021A08)资助项目 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2022年第54卷第4期

页      码：1102-1112,I0005页

摘      要：为了同时提高振动能量俘获系统的效率和实用性,俘能器主结构的振动特性与环境振动特性的匹配度显得尤为重要.非线性系统复杂的动力学行为为设计高效的俘能器奠定了基础,但结构一旦被设计、生成出来,其工作频率往往是固定的,无法根据环境中的振动而发生相应的改变.本文利用可移动铰支座和非线性磁力设计了一种具有双稳态特性的宽频压电俘能器,通过拓宽压电俘能器的工作频带,来匹配环境中较宽的振动频率.为了保证系统低频宽带的俘能效果,详细分析了结构的长度比、磁间距、负载阻抗、外激励频率和幅值等对系统线性刚度、非线性刚度以及动力学行为的影响,并进行了实验验证.首先将系统简化为欧拉-伯努力梁,利用拉格朗日方程建立系统的非线性动力学方程,并利用谐波平衡法进行求解.针对理论分析给出的不同外激励频率下的最优长度比,搭建了实验平台进行验证.理论和实验的结果表明:非线性磁力的引入使系统呈现负刚度特性,使俘能器能够在单稳态和双稳态之间的变换,实现低频俘能效果;通过调节可移动铰支座的位置,改变系统的长细比,能够实现从0到16 Hz的宽频俘能效果.

主 题 词：压电俘能器 可调频 双稳态 宽频带 长度比 

学科分类：08[工学] 0805[工学-能源动力学] 0802[工学-机械学] 0701[理学-数学类] 080101[080101] 0801[工学-力学类] 0702[理学-物理学类] 

核心收录：

D　O　I：10.6052/0459-1879-21-676

馆 藏 号：203111588...