自供能磁流變阻尼器的振動(dòng)能量捕獲技術(shù)研究.pdf

1、磁流變阻尼器是以智能材料磁流變液為工作液體的新型振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，相比于常規(guī)液壓阻尼器，磁流變阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出阻尼力連續(xù)可調(diào)、動(dòng)態(tài)范圍寬、響應(yīng)速度快、方便與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合等優(yōu)異特性?；诖帕髯冏枘崞鞯慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制系統(tǒng)同時(shí)兼?zhèn)渲鲃?dòng)控制的系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)性和被動(dòng)控制的可靠性，已經(jīng)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程建筑、航空宇航以及自動(dòng)武器系統(tǒng)等振動(dòng)控制領(lǐng)域，并取得了良好的控制效果。為了輸出不同阻尼力，磁流變阻尼器工作過(guò)程中需要外部電源設(shè)

2、備提供直流電激勵(lì)磁流變液，同時(shí)根據(jù)不同的振動(dòng)防護(hù)需求，還要有專用的傳感器和電流控制設(shè)備根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)控制電流大小，以便獲得預(yù)期的控制效果。然而，在大型橋梁等戶外結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制場(chǎng)合，不方便或無(wú)法保證持續(xù)可靠的供電，制約了磁流變阻尼器在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)外部電源設(shè)備和傳感控制設(shè)備會(huì)增大系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低其工程應(yīng)用可靠性。
　　 針對(duì)磁流變阻尼器對(duì)外部電源控制設(shè)備的需求問(wèn)題，本文對(duì)兩種振動(dòng)能量捕獲技術(shù)，即基于壓電和電磁感應(yīng)的振動(dòng)

3、能量捕獲技術(shù)，進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和探討，以期為磁流變阻尼器提供電能，構(gòu)建自供能磁流變阻尼器系統(tǒng)。由于可以不需要外部電源控制設(shè)備，因此可以有效地推動(dòng)磁流變振動(dòng)控制技術(shù)在一些無(wú)法持續(xù)可靠供電領(lǐng)域里的應(yīng)用，減小了磁流變振動(dòng)控制系統(tǒng)的尺寸、重量、日常維修費(fèi)用和成本，提高其可靠性。此外，自供能技術(shù)也是一種節(jié)能環(huán)保技術(shù)，符合世界發(fā)展潮流。
　　 論文首先對(duì)磁流變液的磁流變特性和磁流變阻尼器的力學(xué)特性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，建立了磁流變阻尼器輸出

4、阻尼力與輸入電流之間的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)了一個(gè)單桿單筒磁流變阻尼器，并對(duì)其阻尼力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，總結(jié)得出磁流變阻尼器工作時(shí)所需電能大小的范圍在2W～10W之間，為下文振動(dòng)能量捕獲裝置的研究提供了一個(gè)評(píng)估電能捕獲能力的標(biāo)準(zhǔn)。
　　 隨后對(duì)壓電振動(dòng)能量捕獲技術(shù)開(kāi)展了一系列理論和實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合磁流變阻尼器使用的壓電堆振動(dòng)能量捕獲裝置。首先從系統(tǒng)角度出發(fā)，基于壓電堆發(fā)電裝置

5、的機(jī)械和電氣兩個(gè)部分之間的耦合關(guān)系，建立了一個(gè)從系統(tǒng)級(jí)別描述壓電堆發(fā)電裝置動(dòng)態(tài)特性的機(jī)電耦合模型，深入研究其輸出電能與外部振動(dòng)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部負(fù)載阻抗之間的關(guān)系。然后對(duì)設(shè)計(jì)加工的壓電堆振動(dòng)能量捕獲裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究分析，結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的壓電堆發(fā)電裝置可以在高頻段振動(dòng)條件下滿足磁流變阻尼器的電能需求，在低頻段振動(dòng)條件下部分地滿足磁流變阻尼器的使用要求。
　　 為了能夠在低頻段振動(dòng)條件下收集足夠多的電能，構(gòu)建自供能磁流變振動(dòng)控

6、制系統(tǒng)。基于法拉第電磁感應(yīng)定律，對(duì)一種新型的兩相管式直線型電磁感應(yīng)振動(dòng)能量捕獲裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，以捕獲結(jié)構(gòu)振動(dòng)能供磁流變阻尼器使用。設(shè)計(jì)了兩相管式直線型電磁感應(yīng)振動(dòng)能量捕獲裝置的結(jié)構(gòu)，建立了其磁路模型和電能輸出理論模型，對(duì)影響電能輸出效率的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究和分析。最后進(jìn)行了樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)研究的兩相管式直線型電磁感應(yīng)振動(dòng)能量捕獲裝置可以在低頻段振動(dòng)條件下，收集足夠磁流變阻尼器使用的直流穩(wěn)壓電能

7、，激勵(lì)磁流變阻尼器達(dá)到磁飽和狀態(tài)，輸出最大阻尼力;同時(shí)電磁感應(yīng)振動(dòng)能量捕獲裝置收集的電能與外部振動(dòng)強(qiáng)度成正比，振動(dòng)越強(qiáng)，捕獲的電能越大，磁流變阻尼器的輸出阻尼力越大，對(duì)振動(dòng)的控制力也就越大。從而表明設(shè)計(jì)的兩相管式直線型電磁感應(yīng)振動(dòng)能量捕獲裝置可以在無(wú)需外部電源控制設(shè)備和傳感設(shè)備的條件下，構(gòu)建自供能磁流變振動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的自適應(yīng)控制。
　　 最后，對(duì)全文工作進(jìn)行了總結(jié)，介紹了本論文研究的特色和創(chuàng)新之處，指出了今后工作有