流致振动压电俘能器非线性动力学理论及实验研究

Vibration is a common phenomenon in nature and engineering area. Recent years, vibration energy harvesting is an important developing direction of new energy technology. Piezoelectric energy harvesting from waste vibration energy is a new kind of vibration energy harvesting technology. It could be applied universally in microelectronics, self-sustained wireless electronic components, aerospace engineering, bio-medical and many other engineering fields. And it has been heavily researched in recent years. This project focus on the nonlinear dynamics and efficiency of the flow-induced vibration energy harvester by using nonlinear dynamics theory, theory of vortex-induced vibration, electrical theory, finite element method and experimental method. The main research content including: designing the flow-induced vibration energy harvester with variable stiffness and internal resonance based on vortex-induced vibration theory and establishing the nonlinear dynamics model. Studying the vibration frequency responses and generating efficiency of flow-induced VEH by using nonlinear dynamics theory and finite element method. Discussing the effect laws of fluid parameter and structure parameter for the flow-induced VEH. Building experiment platform for the flow-induced VEH and studying the transform efficiency. Finally, all the results will be compared and discussed comprehensively between the theoretical analyze, FEM simulating and experimental method.

振动在工程领域和自然界中普遍存在，振动能量采集是新型能源技术的一个重要方向，基于压电效应的环境振动能量采集技术是近年来新兴的一种能量采集技术，在微电子科技、航空宇航工程以及生物医疗等诸多领域具有广阔的应用前景。本项目主要研究流致振动环境中压电俘能器结构动力学特性，分析流体环境参数和结构参数对其频响特性的影响规律，研究提高流致振动压电俘能器能量转换效率的有效方法。研究内容主要包括：提出具有变刚度和内共振特性的流致振动压电俘能器，利用涡激振动理论、压电原理和非线性振动理论建立动力学模型；利用非线性动力学方法和有限元方法探讨分析流体参数和结构参数对俘能器频率响应特性的影响机理；建立水流环境压电俘能器实验平台，实验研究流致振动压电俘能器的力学特性及俘能效率，并与理论和仿真结果进行对比，深入开展流致振动环境中压电俘能技术的基础理论及应用研究。

振动在工程领域和自然界中普遍存在，振动能量采集是能够为微电子元器件提供自供电技术的一个重要研究方向，在远程无线传感网络、可穿戴医疗设备、可植入医疗器件以及水流环境智能检测设备等诸多领域具有广阔的应用前景。本项目通过理论分析和实验研究了流致振动环境中压电俘能器结构动力学特性，主要创新性成果包括：.(1) 提出变刚度压电悬臂梁俘能器模型。首先分别利用渐进摄动方法、Adomain分解法和MeijerG函数方法分析了变刚度梁的自由振动特性，研究模型包括具有不同边界条件的单一金属变宽度悬臂梁以及轴向功能梯度梁等，与有限元仿真对比具有很好的一致性，验证了方法的有效性和精确性；研究了变宽度悬臂梁、阶梯变厚度悬臂梁以及声子晶体悬臂梁等俘能器的动力学特性，分析并确定了最优结构参数，实现了宽低频俘能响应。.(2) 提出磁力增强的变宽度变刚度流致振动压电俘能器。设计了由变宽度压电悬臂梁、绕流体和磁体组成的变刚度附磁压电俘能器，首先建立其机电耦合方程，数值分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等参数对输出电压的影响；有限元仿真分析了不同宽度比、磁极极性和磁间距对俘能器在低流速时俘能特性的影响；实验证明优化的俘能器结构相比无附磁且等宽度比的俘能器，输出功率提高了127%，单位面积输出功率提高了5.6倍。.(3) 提出基于流体管道压力脉动能量采集的压电叠堆俘能器，并引入力放大器提高俘能效率。首先理论分析了力放大器的工作原理，确定其最优结构参数；搭建了流速与压力均可调节的压力脉动管路实验平台并完成了俘能实验，结果表明优化设计二级力放大器可使俘能效率提高1.5倍，且管道内扰流体能够有效提高俘能效率，最终实现最高输出功率为0.449μW。.另外，在本项目的资助下，还开展了层间分离压电悬臂梁俘能器的研究，建立了全部分离和局部分离的结构的动力学方程，利用平均法分析了两种结构输出电压的幅频响应表达式，并通过实验对理论结果进行了验证，实现了在较宽的低频环境中收集振动能量。.本项目共发表16篇期刊论文，其中SCI论文12篇；中文期刊论文4篇，其中EI论文1篇；授权中国发明专利7项。