自供能磁流變阻尼器的振動能量捕獲技術(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)簡單、輸出阻尼力連續(xù)可調(diào)、動態(tài)范圍寬、響應(yīng)速度快、方便與計算機(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)振動半主動控制系統(tǒng)同時兼?zhèn)渲鲃涌刂频南到y(tǒng)參數(shù)可調(diào)性和被動控制的可靠性，已經(jīng)開始廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程建筑、航空宇航以及自動武器系統(tǒng)等振動控制領(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程中需要外部電源設(shè)

2、備提供直流電激勵磁流變液，同時根據(jù)不同的振動防護(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)振動控制場合，不方便或無法保證持續(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。同時外部電源設(shè)備和傳感控制設(shè)備會增大系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低其工程應(yīng)用可靠性。
　　 針對磁流變阻尼器對外部電源控制設(shè)備的需求問題，本文對兩種振動能量捕獲技術(shù)，即基于壓電和電磁感應(yīng)的振動

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磁流變振動控制技術(shù)在一些無法持續(xù)可靠供電領(lǐng)域里的應(yīng)用，減小了磁流變振動控制系統(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)計了一個單桿單筒磁流變阻尼器，并對其阻尼力特性進(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所需電能大小的范圍在2W～10W之間，為下文振動能量捕獲裝置的研究提供了一個評估電能捕獲能力的標(biāo)準(zhǔn)。
　　 隨后對壓電振動能量捕獲技術(shù)開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)計了適合磁流變阻尼器使用的壓電堆振動能量捕獲裝置。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)械和電氣兩個部分之間的耦合關(guān)系，建立了一個從系統(tǒng)級別描述壓電堆發(fā)電裝置動態(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、結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部負(fù)載阻抗之間的關(guān)系。然后對設(shè)計加工的壓電堆振動能量捕獲裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究分析，結(jié)果表明:設(shè)計的壓電堆發(fā)電裝置可以在高頻段振動條件下滿足磁流變阻尼器的電能需求，在低頻段振動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條件下收集足夠多的電能，構(gòu)建自供能磁流變振動控

6、制系統(tǒng)?；诜ɡ陔姶鸥袘?yīng)定律，對一種新型的兩相管式直線型電磁感應(yīng)振動能量捕獲裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，以捕獲結(jié)構(gòu)振動能供磁流變阻尼器使用。設(shè)計了兩相管式直線型電磁感應(yīng)振動能量捕獲裝置的結(jié)構(gòu)，建立了其磁路模型和電能輸出理論模型，對影響電能輸出效率的關(guān)鍵問題進(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)計研究的兩相管式直線型電磁感應(yīng)振動能量捕獲裝置可以在低頻段振動條件下，收集足夠磁流變阻尼器使用的直流穩(wěn)壓電能

7、，激勵磁流變阻尼器達(dá)到磁飽和狀態(tài)，輸出最大阻尼力;同時電磁感應(yīng)振動能量捕獲裝置收集的電能與外部振動強(qiáng)度成正比，振動越強(qiáng)，捕獲的電能越大，磁流變阻尼器的輸出阻尼力越大，對振動的控制力也就越大。從而表明設(shè)計的兩相管式直線型電磁感應(yīng)振動能量捕獲裝置可以在無需外部電源控制設(shè)備和傳感設(shè)備的條件下，構(gòu)建自供能磁流變振動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的自適應(yīng)控制。
　　 最后，對全文工作進(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