寬帶旋轉(zhuǎn)運動非線性壓電俘能理論與實驗研究.pdf

1、如何為無線微小傳感節(jié)點持續(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)難點之一，利用壓電效應(yīng)俘獲旋轉(zhuǎn)運動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寬帶旋轉(zhuǎn)運動壓電俘能性能正成為一個研究熱點，具有重要研究意義和應(yīng)用價值。
　　非線性壓電振子在旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)時的受力比直線運動時要復(fù)雜得多，使得如何控制和利用非線性、優(yōu)化設(shè)計非線性壓電振子結(jié)構(gòu)成為實際

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旋轉(zhuǎn)運動非線性壓電俘能特性進行深入研究，未能揭示非線性實現(xiàn)寬頻帶旋轉(zhuǎn)運動壓電俘能的機理。本文正是在國家自然科學(xué)基金項目的資助下，通過引入非線性磁力和混沌動力學(xué)理論，深入開展寬帶旋轉(zhuǎn)運動非線性壓電俘能理論研究，揭示非線性增強寬帶旋轉(zhuǎn)運動壓電俘能的機理與量化條件，對實際應(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)運動非線性壓電振子的動力學(xué)建模方法，建立了旋轉(zhuǎn)運動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)對旋轉(zhuǎn)運動壓電俘能的影響特性，結(jié)果表明磁鐵間距是一個重要參數(shù)，合適的磁鐵間距能有效拓寬旋轉(zhuǎn)運動壓電俘能系統(tǒng)帶寬，并進行了定性解釋。
　　3、引入Mel

4、nikov方法，推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)運動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)是實現(xiàn)寬頻帶旋轉(zhuǎn)運動能量俘獲的重要機理基礎(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)運動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)對旋轉(zhuǎn)運動壓電俘能性能的影響，對理論結(jié)果進行了初步驗證。
　　5、設(shè)計并構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)運動非線性壓電俘能實驗臺，對其俘能特性和發(fā)電能力進行了實驗測試，結(jié)果表明：合適的非線