基于預(yù)應(yīng)力的低頻大帶寬俘能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析.pdf

1、隨著新能源汽車技術(shù)日益受到人們的關(guān)注，汽車振動(dòng)能量收集的研究成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。在幾種已有的振動(dòng)能量收集技術(shù)（靜電、電磁、壓電等）中，由于壓電俘能技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率高，易于生產(chǎn)和應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的壓電俘能結(jié)構(gòu)主要以懸臂梁結(jié)構(gòu)為主，這類壓電俘能器利用環(huán)境振動(dòng)誘導(dǎo)懸臂梁發(fā)生彎曲變形，進(jìn)而使得鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)表面的壓電材料產(chǎn)生極化電壓，輸出電能。相關(guān)研究表明，當(dāng)壓電懸臂梁的固有頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率相接近時(shí)，俘能器產(chǎn)生較大的振

2、幅并輸出較高的電能。然而，車輛的大部分振動(dòng)激勵(lì)在較低的頻率范圍內(nèi)，而懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電俘能器的能量生成與頻率的立方和振幅的平方成正比，因此基于共振機(jī)理的壓電俘能器，由于俘能效率過低難以適用?？紤]到車輛振動(dòng)的隨機(jī)性大，因此在寬帶低頻環(huán)境激勵(lì)下，要提高俘能器的俘能效率，就需要設(shè)計(jì)具有對低頻激勵(lì)響應(yīng)大，且具有轉(zhuǎn)化為高頻振動(dòng)（升頻）特點(diǎn)的俘能器。低頻段俘能的迫切需求催生了新技術(shù)的發(fā)展，俘能結(jié)構(gòu)機(jī)械升頻技術(shù)已經(jīng)成為解決低頻環(huán)境下能量收集的重要方法，

3、然而，目前的研究工作對于低頻能量的收集僅僅在較窄的頻帶內(nèi)有效（<2Hz），因此要實(shí)現(xiàn)低頻段高效能量收集，必須在結(jié)構(gòu)升頻的基礎(chǔ)上有效地解決頻帶過窄的問題，拓寬俘能系統(tǒng)的工作頻率，提高能量收集效率。本論文通過在固支梁的末端施加軸向載荷，調(diào)諧結(jié)構(gòu)的固有頻率到低頻的振動(dòng)環(huán)境中工作，有效地提高了俘能帶寬和俘能效率。在研究軸向載荷作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了新型的十字結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力俘能器，利用機(jī)械沖擊，將低頻振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為附連懸臂梁的高頻振動(dòng)，從而提升俘能

4、結(jié)構(gòu)的俘能效率。論文具體工作由以下幾部分組成：
　　（1）分析了壓電俘能器工作模式，基于漢密爾頓原理得到了俘能器單一模態(tài)的動(dòng)力學(xué)方程，得到了預(yù)應(yīng)力俘能器在任意位置的橫向動(dòng)力學(xué)位移響應(yīng)和壓電片的輸出電壓。
　?。?）建立了預(yù)應(yīng)力俘能器有限元模型，通過ANSYS有限元軟件優(yōu)化了壓電片的布置，在此基礎(chǔ)上，分析了預(yù)應(yīng)力對俘能器俘能效率的影響。
　?。?）提出了一種新型十字型預(yù)應(yīng)力俘能器，在附連懸臂梁的末端利用機(jī)械沖擊誘發(fā)其產(chǎn)生