寬帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非線性壓電俘能理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、如何為無線微小傳感節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電是目前制約旋轉(zhuǎn)部件嵌入式傳感應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一，利用壓電效應(yīng)俘獲旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量是一種極具潛力的解決途徑。而工程應(yīng)用場合中旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速往往在寬帶范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，不適合于線性壓電俘能，因此如何引入非線性來增強(qiáng)寬帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓電俘能性能正成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，具有重要研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　非線性壓電振子在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的受力比直線運(yùn)動(dòng)時(shí)要復(fù)雜得多，使得如何控制和利用非線性、優(yōu)化設(shè)計(jì)非線性壓電振子結(jié)構(gòu)成為實(shí)際

2、中需要解決的首要關(guān)鍵問題。但目前尚缺乏從理論上對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非線性壓電俘能特性進(jìn)行深入研究，未能揭示非線性實(shí)現(xiàn)寬頻帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓電俘能的機(jī)理。本文正是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下，通過引入非線性磁力和混沌動(dòng)力學(xué)理論，深入開展寬帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非線性壓電俘能理論研究，揭示非線性增強(qiáng)寬帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓電俘能的機(jī)理與量化條件，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要理論指導(dǎo)意義。
　　主要內(nèi)容和結(jié)論包括：
　　1、引入非線性磁力和壓電耦合效應(yīng)，采用拉格朗日方程和假設(shè)

3、模態(tài)方法，提出了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非線性壓電振子的動(dòng)力學(xué)建模方法，建立了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非線性壓電俘能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為開展理論研究奠定了基礎(chǔ)。
　　2、研究并比較了基于有限差分法和龍格庫塔法的兩種模型數(shù)值求解方法，以上述模型為基礎(chǔ)，分別在寬頻和單頻轉(zhuǎn)速下數(shù)值仿真分析了非線性壓電振子不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓電俘能的影響特性，結(jié)果表明磁鐵間距是一個(gè)重要參數(shù)，合適的磁鐵間距能有效拓寬旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)帶寬，并進(jìn)行了定性解釋。
　　3、引入Mel

4、nikov方法，推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非線性壓電俘能系統(tǒng)的Melnikov函數(shù)，揭示了雙勢阱勢函數(shù)是實(shí)現(xiàn)寬頻帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量俘獲的重要機(jī)理基礎(chǔ)，并提出了相應(yīng)的量化必要條件。
　　4、仿真擬合了非線性磁力大小，建立了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非線性壓電振子的有限元模型，仿真分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓電俘能性能的影響，對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行了初步驗(yàn)證。
　　5、設(shè)計(jì)并構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非線性壓電俘能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)其俘能特性和發(fā)電能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明：合適的非線