基于預應力的低頻大帶寬俘能器結構設計與分析.pdf

1、隨著新能源汽車技術日益受到人們的關注，汽車振動能量收集的研究成為學者們研究的熱點。在幾種已有的振動能量收集技術（靜電、電磁、壓電等）中，由于壓電俘能技術能量轉換效率高，易于生產和應用等優(yōu)點，成為國內外學者研究的焦點。傳統(tǒng)的壓電俘能結構主要以懸臂梁結構為主，這類壓電俘能器利用環(huán)境振動誘導懸臂梁發(fā)生彎曲變形，進而使得鋪設在結構表面的壓電材料產生極化電壓，輸出電能。相關研究表明，當壓電懸臂梁的固有頻率與環(huán)境振動頻率相接近時，俘能器產生較大的振

2、幅并輸出較高的電能。然而，車輛的大部分振動激勵在較低的頻率范圍內，而懸臂梁結構的壓電俘能器的能量生成與頻率的立方和振幅的平方成正比，因此基于共振機理的壓電俘能器，由于俘能效率過低難以適用。考慮到車輛振動的隨機性大，因此在寬帶低頻環(huán)境激勵下，要提高俘能器的俘能效率，就需要設計具有對低頻激勵響應大，且具有轉化為高頻振動（升頻）特點的俘能器。低頻段俘能的迫切需求催生了新技術的發(fā)展，俘能結構機械升頻技術已經成為解決低頻環(huán)境下能量收集的重要方法，

3、然而，目前的研究工作對于低頻能量的收集僅僅在較窄的頻帶內有效（<2Hz），因此要實現(xiàn)低頻段高效能量收集，必須在結構升頻的基礎上有效地解決頻帶過窄的問題，拓寬俘能系統(tǒng)的工作頻率，提高能量收集效率。本論文通過在固支梁的末端施加軸向載荷，調諧結構的固有頻率到低頻的振動環(huán)境中工作，有效地提高了俘能帶寬和俘能效率。在研究軸向載荷作用機理的基礎上，提出了新型的十字結構預應力俘能器，利用機械沖擊，將低頻振動能量轉化為附連懸臂梁的高頻振動，從而提升俘能

4、結構的俘能效率。論文具體工作由以下幾部分組成：
　?。?）分析了壓電俘能器工作模式，基于漢密爾頓原理得到了俘能器單一模態(tài)的動力學方程，得到了預應力俘能器在任意位置的橫向動力學位移響應和壓電片的輸出電壓。
　?。?）建立了預應力俘能器有限元模型，通過ANSYS有限元軟件優(yōu)化了壓電片的布置，在此基礎上，分析了預應力對俘能器俘能效率的影響。
　?。?）提出了一種新型十字型預應力俘能器，在附連懸臂梁的末端利用機械沖擊誘發(fā)其產生