基于直角压电悬臂梁的振动能量回收系统的研究

论文摘要

本论文就新型直角压电复合悬臂梁振动能量回收系统进行了深入的理论分析和实验研究。文章首次提出直角压电复合悬臂梁结构，提出利用力矩均匀化压电悬臂梁的应变分布的概念，以此提高压电悬臂梁的能量输出能力。直角梁系统由两部分组成，一部分为贴有陶瓷片的传统悬臂梁，另外一部分是与此悬臂梁成直角的附梁，此系统是目前可实现压电悬臂梁应变最均匀化的结构之一。此外，文章基于Rayleigh–Ritz原理为直角压电悬臂梁系统建立动力学模型，并创新性引入力-位移阻抗的方法分析等效惯性力激励下系统中力与力矩的分布与传递原理，直观说明直角梁力矩优化应变分布的作用原理，并为结构的优化提供理论依据。通过ANSYS有限研究第一模态共振情况下系统的应力分布情况，直接验证应力优化的效果并证明力矩优化应力分布的作用原理。分析显示，在第一共振状态下附梁可提供给主梁一个极大的力矩，并且使主梁长度方向应变的分布极为均匀。实验设计三个附梁刚度不同的直角压电悬臂梁装置，装置中附梁的长度都为主梁长度的一半。当附梁的刚度是主梁0.02倍的时候，贴于主梁表面的陶瓷片表面长度方向应变分布极为均匀；此时，在第一共振频率处陶瓷片的材料相对利用效率高达93%，而传统的压电悬臂梁第一共振频率点处陶瓷片的材料相对利用效率是50%。对比实验研究表明，随着附梁的刚度降低，贴于主梁表面压电陶瓷片的相对材料利用率增加。而后，实验测量研究了直角梁系统的压电陶瓷片的相对材料利用率扫频特性，说明压电直角悬臂梁力矩均匀应变的原理特性；此外，实验测试了等加速度激励下直角梁系统的电压输出扫频特性和功率输出扫频特性，说明应力分布均匀情况下的压电悬臂梁电压及功率输出的优势并间接证明理论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 能量源简介
• 1.1.2 振动能量回收方式简介
• 1.2 压电振动能量回收的环节与优化
• 1.2.1 压电振动能量回收的环节
• 1.2.2 振动源能量获取的优化
• 1.2.3 机电转换环节的优化
• 1.2.4 回收电路的优化
• 1.2.5 压电振动能量回收应用
• 1.3 本论文研究的目的和创新之处
• 1.4 本论文研究内容和结构安排
• 第2章 直角压电悬臂梁的理论分析
• 2.1 压电效应和压电方程
• 2.2 应变均匀原理与意义
• 2.3 直角压电悬臂梁基本原理与结构
• 2.4 系统建模
• 2.4.1 等效刚度计算
• 2.4.2 系统数学模型
• 2.4.3 主梁应变分布
• 2.4.4 主梁所受力矩分析
• 2.5 小结
• 第3章 仿真与讨论
• 3.1 直角压电悬臂梁的尺寸参数
• 3.2 有限元仿真
• 3.3 仿真结果与讨论
• 3.4 小结
• 第4章 实验验证与讨论
• 4.1 直角压电悬臂梁的制作
• 4.2 实验验证与讨论
• 4.2.1 应变分布测量
• 4.2.2 压电材料相对材料利用效率
• 4.2.3 电压输出
• 4.2.4 功率输出
• 4.3 小结
• 第5章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果