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基于预应力的低频大带宽俘能器结构设计与分析
| 论文题名： | 基于预应力的低频大带宽俘能器结构设计与分析 |
| 关键词： | 俘能器;结构设计;能量收集;有限元模型;新能源汽车 |
| 摘要： | 随着新能源汽车技术日益受到人们的关注，汽车振动能量收集的研究成为学者们研究的热点。在几种已有的振动能量收集技术（静电、电磁、压电等）中，由于压电俘能技术能量转换效率高，易于生产和应用等优点，成为国内外学者研究的焦点。传统的压电俘能结构主要以悬臂梁结构为主，这类压电俘能器利用环境振动诱导悬臂梁发生弯曲变形，进而使得铺设在结构表面的压电材料产生极化电压，输出电能。相关研究表明，当压电悬臂梁的固有频率与环境振动频率相接近时，俘能器产生较大的振幅并输出较高的电能。然而，车辆的大部分振动激励在较低的频率范围内，而悬臂梁结构的压电俘能器的能量生成与频率的立方和振幅的平方成正比，因此基于共振机理的压电俘能器，由于俘能效率过低难以适用。考虑到车辆振动的随机性大，因此在宽带低频环境激励下，要提高俘能器的俘能效率，就需要设计具有对低频激励响应大，且具有转化为高频振动（升频）特点的俘能器。低频段俘能的迫切需求催生了新技术的发展，俘能结构机械升频技术已经成为解决低频环境下能量收集的重要方法，然而，目前的研究工作对于低频能量的收集仅仅在较窄的频带内有效（<2Hz），因此要实现低频段高效能量收集，必须在结构升频的基础上有效地解决频带过窄的问题，拓宽俘能系统的工作频率，提高能量收集效率。本论文通过在固支梁的末端施加轴向载荷，调谐结构的固有频率到低频的振动环境中工作，有效地提高了俘能带宽和俘能效率。在研究轴向载荷作用机理的基础上，提出了新型的十字结构预应力俘能器，利用机械冲击，将低频振动能量转化为附连悬臂梁的高频振动，从而提升俘能结构的俘能效率。论文具体工作由以下几部分组成： （1）分析了压电俘能器工作模式，基于汉密尔顿原理得到了俘能器单一模态的动力学方程，得到了预应力俘能器在任意位置的横向动力学位移响应和压电片的输出电压。 （2）建立了预应力俘能器有限元模型，通过ANSYS有限元软件优化了压电片的布置，在此基础上，分析了预应力对俘能器俘能效率的影响。 （3）提出了一种新型十字型预应力俘能器，在附连悬臂梁的末端利用机械冲击诱发其产生高频振动，从而提高了俘能器的俘能频率，达到了拓宽俘能带宽和提高俘能效率的目的。 论文针对宽带低频俘能的需求，提出了基于预应力的俘能结构以及新型的十字型预应力升频俘能器结构，实现了宽带低频能量的俘获。论文工作为低频俘能器的设计提供了新思路。 本论文得到了国家自然科学基金项目（11572073,11372063）的资助，在此表示感谢。 |
| 作者： | 徐亮 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 高仁璟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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