寬帶旋轉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部件嵌入式傳感應用的關鍵技術難點之一，利用壓電效應俘獲旋轉運動能量是一種極具潛力的解決途徑。而工程應用場合中旋轉部件轉速往往在寬帶范圍內動態(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用價值。
　　非線性壓電振子在旋轉運動狀態(tài)時的受力比直線運動時要復雜得多，使得如何控制和利用非線性、優(yōu)化設計非線性壓電振子結構成為實際

2、中需要解決的首要關鍵問題。但目前尚缺乏從理論上對旋轉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)寬頻帶旋轉運動壓電俘能的機理。本文正是在國家自然科學基金項目的資助下，通過引入非線性磁力和混沌動力學理論，深入開展寬帶旋轉運動非線性壓電俘能理論研究，揭示非線性增強寬帶旋轉運動壓電俘能的機理與量化條件，對實際應用具有重要理論指導意義。
　　主要內容和結論包括：
　　1、引入非線性磁力和壓電耦合效應，采用拉格朗日方程和假設

3、模態(tài)方法，提出了旋轉運動非線性壓電振子的動力學建模方法，建立了旋轉運動非線性壓電俘能系統(tǒng)的數(shù)學模型，為開展理論研究奠定了基礎。
　　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，分別在寬頻和單頻轉速下數(shù)值仿真分析了非線性壓電振子不同結構參數(shù)對旋轉運動壓電俘能的影響特性，結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，推導了旋轉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)寬頻帶旋轉運動能量俘獲的重要機理基礎，并提出了相應的量化必要條件。
　　4、仿真擬合了非線性磁力大小，建立了旋轉運動非線性壓電振子的有限元模型，仿真分析了不同結構參數(shù)對旋轉運動壓電俘能性能的影響，對理論結果進行了初步驗證。
　　5、設計并構建了旋轉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，結果表明：合適的非線