雙穩(wěn)態(tài)壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、微電子設(shè)備低功耗的特點(diǎn)使利用環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行自供電成為可能。壓電式結(jié)構(gòu)是常用的發(fā)電結(jié)構(gòu)形式之一,目前研究的壓電發(fā)電系統(tǒng)多是線性的,具有單一的固有頻率,只有當(dāng)激勵(lì)頻率和系統(tǒng)固有頻率接近時(shí),才會(huì)具有較高的發(fā)電效率。但實(shí)際環(huán)境振動(dòng)經(jīng)常是非周期、低頻和寬頻激勵(lì),這使系統(tǒng)很難工作在共振狀態(tài)。而雙穩(wěn)態(tài)壓電系統(tǒng)在周期或隨機(jī)激勵(lì)下,可在低寬頻激勵(lì)下產(chǎn)生大幅運(yùn)動(dòng),是最具可能實(shí)現(xiàn)利用振動(dòng)進(jìn)行發(fā)電的結(jié)構(gòu)之一,因此成為近兩年國際研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　本文利用

2、數(shù)值計(jì)算、解析分析和實(shí)驗(yàn)的方法研究了雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)特性及影響其產(chǎn)生大幅運(yùn)動(dòng)的因素,對(duì)雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有重要意義。主要研究工作和成果如下:
　　1、全面總結(jié)了壓電發(fā)電的發(fā)展、主要研究方法、實(shí)現(xiàn)寬頻響應(yīng)的方式,著重介紹了雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,簡(jiǎn)單介紹了本文所用非線性振動(dòng)分析方法及用于研究混沌運(yùn)動(dòng)的Melnikov方法。
　　2、建立了兩永久磁鐵之間的磁力模型和簡(jiǎn)諧激勵(lì)下雙穩(wěn)態(tài)壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)的

3、一階模型。通過數(shù)值計(jì)算分析了簡(jiǎn)諧激勵(lì)下雙穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)范圍,指出系統(tǒng)在較低的激勵(lì)頻率和幅值下能發(fā)生大幅運(yùn)動(dòng)。利用增量諧波平衡法(IHB)對(duì)雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的電壓幅值解存在跳躍現(xiàn)象;當(dāng)非線性系數(shù)增加時(shí),幅頻曲線向右偏移,大幅運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)頻帶變寬,最大幅值變大;存在匹配電阻使得系統(tǒng)的發(fā)電功率最大。與線性系統(tǒng)相對(duì)比,在低頻激勵(lì)下,雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)具有更高的發(fā)電效率。
　　3、分別用一階和

4、二階Melnikov函數(shù)計(jì)算了雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的混沌閾值,分析了混沌閾值表達(dá)式中激勵(lì)頻率和阻抗對(duì)混沌閾值的影響,得到對(duì)混沌閾值影響最大的激勵(lì)頻率和電阻值。結(jié)果表明,二階Melnikov函數(shù)的計(jì)算精度比一階Melnikov函數(shù)高44％,最后給出了不同激勵(lì)和電阻參數(shù)下系統(tǒng)產(chǎn)生大幅運(yùn)動(dòng)的吸引域。
　　4、用數(shù)值方法研究了隨機(jī)激勵(lì)下噪聲強(qiáng)度、負(fù)載阻抗、初始值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)噪聲強(qiáng)度的增加會(huì)減少雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)之間的跳躍時(shí)間

5、;與簡(jiǎn)諧激勵(lì)下雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)相似,隨機(jī)激勵(lì)下系統(tǒng)也存在匹配阻抗使得輸出功率最大;通過給出大幅運(yùn)動(dòng)的吸引域說明初始值會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而影響輸出功率,同時(shí)也證明負(fù)載阻抗值會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。
　　5、設(shè)計(jì)了雙穩(wěn)態(tài)壓電懸臂梁發(fā)電裝置,通過實(shí)驗(yàn)分析了在簡(jiǎn)諧激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)下系統(tǒng)的響應(yīng)特性。在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下,分析了激勵(lì)頻率、激勵(lì)幅值、磁鐵距離、負(fù)載阻抗和初始值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響,證明了雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)適于低頻激勵(lì);激勵(lì)幅值越大,系

6、統(tǒng)具有越高的能量逃離勢(shì)阱產(chǎn)生大幅運(yùn)動(dòng),并且系統(tǒng)的輸出電壓也越高,響應(yīng)頻帶越寬;通過對(duì)比雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和線性系統(tǒng)的幅頻曲線,得到在低頻下雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的幅值比線性系統(tǒng)高;存在匹配負(fù)載阻抗使得系統(tǒng)的輸出功率最大;初始值可以將系統(tǒng)從小幅運(yùn)動(dòng)吸引到大幅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上。在隨機(jī)激勵(lì)下,分析了激勵(lì)強(qiáng)度和負(fù)載阻抗對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相吻合。
　　通過上述工作,較為全面地獲得了雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和發(fā)電特性,深入把握了主要因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生大