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

1、微電子設備低功耗的特點使利用環(huán)境振動進行自供電成為可能。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,只有當激勵頻率和系統(tǒng)固有頻率接近時,才會具有較高的發(fā)電效率。但實際環(huán)境振動經(jīng)常是非周期、低頻和寬頻激勵,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)在周期或隨機激勵下,可在低寬頻激勵下產(chǎn)生大幅運動,是最具可能實現(xiàn)利用振動進行發(fā)電的結(jié)構(gòu)之一,因此成為近兩年國際研究的一個熱點。
　　本文利用

2、數(shù)值計算、解析分析和實驗的方法研究了雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的響應特性及影響其產(chǎn)生大幅運動的因素,對雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的設計及應用具有重要意義。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、實現(xiàn)寬頻響應的方式,著重介紹了雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,簡單介紹了本文所用非線性振動分析方法及用于研究混沌運動的Melnikov方法。
　　2、建立了兩永久磁鐵之間的磁力模型和簡諧激勵下雙穩(wěn)態(tài)壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)的

3、一階模型。通過數(shù)值計算分析了簡諧激勵下雙穩(wěn)態(tài)運動的頻率響應范圍,指出系統(tǒng)在較低的激勵頻率和幅值下能發(fā)生大幅運動。利用增量諧波平衡法(IHB)對雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能進行了研究,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;當非線性系數(shù)增加時,幅頻曲線向右偏移,大幅運動的響應頻帶變寬,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)相對比,在低頻激勵下,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式中激勵頻率和阻抗對混沌閾值的影響,得到對混沌閾值影響最大的激勵頻率和電阻值。結(jié)果表明,二階Melnikov函數(shù)的計算精度比一階Melnikov函數(shù)高44％,最后給出了不同激勵和電阻參數(shù)下系統(tǒng)產(chǎn)生大幅運動的吸引域。
　　4、用數(shù)值方法研究了隨機激勵下噪聲強度、負載阻抗、初始值對系統(tǒng)響應的影響。發(fā)現(xiàn)噪聲強度的增加會減少雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)兩個穩(wěn)定平衡點之間的跳躍時間

5、;與簡諧激勵下雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)的響應相似,隨機激勵下系統(tǒng)也存在匹配阻抗使得輸出功率最大;通過給出大幅運動的吸引域說明初始值會影響系統(tǒng)的運動狀態(tài),從而影響輸出功率,同時也證明負載阻抗值會影響系統(tǒng)的運動。
　　5、設計了雙穩(wěn)態(tài)壓電懸臂梁發(fā)電裝置,通過實驗分析了在簡諧激勵和隨機激勵下系統(tǒng)的響應特性。在簡諧激勵下,分析了激勵頻率、激勵幅值、磁鐵距離、負載阻抗和初始值對系統(tǒng)響應的影響,證明了雙穩(wěn)態(tài)壓電發(fā)電系統(tǒng)適于低頻激勵;激勵幅值越大,系

6、統(tǒng)具有越高的能量逃離勢阱產(chǎn)生大幅運動,并且系統(tǒng)的輸出電壓也越高,響應頻帶越寬;通過對比雙穩(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)從小幅運動吸引到大幅運動狀態(tài)上。在隨機激勵下,分析了激勵強度和負載阻抗對系統(tǒng)響應的影響,實驗結(jié)果與理論計算相吻合。
　　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)的動力學和發(fā)電特性,深入把握了主要因素對系統(tǒng)產(chǎn)生大