两自由度多稳态压电振动能量采集系统的基础理论与关键行为研究

Facing the growing demand for wireless sensor networks (WSN) of the national things internet technology, and the development trend and technical bottleneck of the self-power of the WSN, a two-degree-of-freedom (TDOF) multi-stable piezoelectric vibration energy harvester (MS-PVEH) with a dynamical magnifier is proposed. The new harvester has some advantages of wider band, higher conversion efficiency and lower demand of the exciting level. For the multi-physics coupling (MPC) and nonlinear characteristics of the TDOF MS-PVEH, the basic theories and key behaviors are studied, which include: the configuration design theory, the static behaviors, the nonlinear coupling dynamic behaviors, the transferring mechanism of energy flow, the multi-time scale coupling behaviors between the TDOF MS-PVEH and the conversion circuit, etc. The objective of this project is to build the theoretical framework and key technology of the TDOF MS-PVEH, as well as to develop a new generation of PVEH with engineering application value. The achievements of this project can provide a powerful solution for the self-power problem of the WSN.

面向国家物联网技术产业发展对无线传感器网络日益增长的重大需求以及无线传感器网络节点自供电的发展趋势和技术瓶颈，提出一种基于动态放大的两自由度多稳态压电振动能量采集系统，具有工作频带宽、采集能力强、对环境振动强度要求低等优点。针对该系统研究多物理场耦合作用下的结构设计理论、静力学行为、非线性耦合动力学行为、能量流传输机制、结构与转换电路之间多时间尺度耦合行为等基础理论和关键行为。通过本项目的研究，以期发现新的复杂运动现象，获得产生宽频带高能轨道运动的条件，力求建立两自由度多稳态压电振动能量采集系统功能调控的理论框架和关键技术，构筑新一代、更具工程应用价值的压电振动能量采集系统，为解决无线传感器网络节点自供电问题提供理论依据和技术参考。

项目针对低功耗电子产品自供电技术难题以及压电振动能量采集器效率低、频带窄等共性问题，开展两自由度多稳态压电能量采集系统的基础理论与关键行为研究，力求建立该类能量采集器功能调控的理论框架和关键技术，以期获得产生高效、宽频高能轨道运动的条件和设计准则。.项目建立了两自由度多稳态压电振动能量采集器的力-电-磁等多场耦合动力学方程，研究了系统主要结构参数、激励条件、负载电路、非线性因素等对系统响应和输出特性的影响，具体为：.1、.提出一种基于弹性放大的两自由度双稳态压电振动能量采集器，基于Hamilton原理和Lagrange方程建立了该类压电振动能量采集器的动力学方程。仿真和实验初步证明了弹性放大机构对提升振动能量采集器的综合输出性能是切实有效的，为后续两自由度多稳态采集器的研究提供借鉴方法。.2、.提出一种改进的非线性磁力计算模型，具有计算精度高的特点，避免了等效点磁荷法在磁铁间距较小时计算误差大，有利于建立高精度的能量采集器动力学模型。.3、.建立了单自由度多稳态（包括三稳态、四稳态等）压电振动能量采集器的机电耦合动力学方程和非线性磁力模型，揭示了多稳态压电振动能量采集器的运动变迁机理、分岔特性、动态响应机制及其非线性耦合动力学行为，证明了多稳态压电振动能量采集器具有宽频、高效、对环境激励要求低等优势，有利于提高能量采集器效率。.4、.发现了多稳态能量采集器的四种运动变迁模式，即(1)从单稳态直接变迁到双稳态运动；（2）从单稳态运动，经过双稳态运动再变迁到三稳态运动；（3）从单稳态直接变迁到三稳态运动；（3）从单稳态运动依次经历双稳态、三稳态运动再变迁到单稳态运动。.5、.揭示了多稳态压电能量采集器非对称势能阱的产生机理，考虑末端磁铁重力效应和悬臂梁几何大变形等因素，发现非对称势能阱可以极大地提高振动能量采集器的综合输出性能，为研制该类结构设计提供了有力支撑。.6、.提出了集弹性放大和非线性磁力复合增强的两自由度多稳态压电振动能量采集器，考虑机械端与电气端的非线性耦合行为，利用谐波平衡方法得到系统的稳态响应解及其Jacobian稳定性判别矩阵；揭示了不同负载电路形式对采集器系统响应的影响规律和非线性耦合动力学行为机理，为该类结构和拓扑电路的优化设计提供了理论指导。.项目发表学术论文18篇（SCI/EI收录13篇）；授权专利3项（转化1项）；培养硕士研究生10人。