可实现低频大带宽俘能的多稳态结构与储能系统协同设计

This project aims to research broadband energy harvesting system based on multistable piezoelectric structure, to develop the relevant theory and methods for the co-design of multi-stable structures, piezoelectric material distribution and harvesting circuit, to find the optimum designs for multistable framework attached to cantilevers realizing large amplitude responses of the cantilevers when subjected to low-frequency and broadband excitation, and to maximize energy harvesting efficiency via simultaneously optimizing piezoelectric material distribution and electrical circuit design. There are four aspects proposed in this project as follows:.(1) To establish a topology optimization model of multi-stable piezoelectric structure in order to obtain optimum multi-stable framework structure attached to cantilevers that can show a large amplitude under low-frequency excitations; .(2) To develop the basic theory and methods to realize the optimum distribution of piezoelectric material and energy harvesting elements;.(3) To develop an analytical model on the coupled influences of multi-stable structural configurations, piezoelectric material distribution, and the electrical circuit design, and to establish a novel design theory for the co-design of piezoelectric structure and circuit parameters;.(4) To experimentally validate the proposed design theories and methods via prototyping a novel energy harvester meeting specific requirements.

针对低频激励下宽频俘能器设计的困难和需求，本项目旨在研究基于多稳态压电结构的宽带低频俘能系统，建立多稳态结构构型、压电材料布局与储能电路协同设计的俘能器设计理论和方法；设计具有多稳态骨架与附连密集分布类悬臂结构组合的结构形式，通过多稳态跳转实现骨架结构低频激励下的大幅响应和附连悬臂结构的高频振动；通过压电材料的布局与俘能电路的选型和参数的协同设计最优化俘能效率。具体包括：1）研究建立基于拓扑优化的多稳态压电结构构型的设计优化模型，以获得对宽带低频激励响应强烈的多稳态骨架与附连类悬臂结构组合的结构构型；2）研究建立压电材料最优布局的设计理论和方法，实现多稳态结构敷设压电材料的布局优化；3）研究多稳态结构构型、压电材料布局以及储能电路参数对俘能效率的耦合影响机理和分析模型，建立压电结构构型与电路参数协同优化设计的理论和方法；4）面向特定需求的新型俘能器原理性试验验证技术研究。

本项目的目标是研究基于多稳态压电结构的宽带低频俘能机理，通过多稳态结构构型、压电材料布局与储能电路的协同设计，建立低频段大带宽俘能器设计理论和方法。按照研究计划，围绕研究目标，面向低频大带宽俘能所亟需的机械结构与储能系统协同设计，研究建立了基于压电结构构型设计、压电结构与初应力或电磁场等其他物理场耦合的低频段宽带激励下的高效俘能设计方法；研究建立了压电结构与俘能电路参数协同的设计方法、多稳态结构设计方法、以及储能电路设计方法；提出了多个低频俘能器和储能电路的设计方案。具体包括：1）基于多稳态骨架与附联悬臂结构组合的低频大带宽俘能器设计方法；2）压电结构与储能电路耦合的俘能器设计方法；3）基于机械诱导的压电俘能结构振动响应和俘能效率增强的设计；4）一种基于磁机耦合的非线性多稳态压电俘能器新构型；5）基于D15模式的非对称扭转俘能器设计。.本项目发表相关学术论文19篇。论文发表在Smart Materials and Structures、Sensors and Actuators A-physics, Acta Mechanica Sinica, Electronic Letters, 机械工程学报、光学精密工程等期刊上，参加国内外重要会议7次，会议宣读论文7篇。授权国家发明专利9项，申请国际发明专利1项。培养毕业研究生8人，其中毕业6人。