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原文传递低频宽带梁式压电俘能器结构设计与性能研究

论文题名：	低频宽带梁式压电俘能器结构设计与性能研究
关键词：	汽车压电俘能器;结构设计;低频宽带;俘能效率
摘要：	减振降噪是提高乘坐舒适性和结构性能的关键，是汽车设计的重要环节。除利用减振器耗散振动能量外，振动能量俘获是实现车辆减振降噪的另一可行方法，是绿色能源的发展方向。俘获的能量可为车载无线传感器、控制器等电子设备提供电能。为满足越来越多的自供电需求，需要研发高性能俘能器。车辆振动通常由300Hz以下的多频振动混合而成，具有低频宽带特点。常用压电俘能器具有较窄的响应频段和较低的能量转换效率，严重制约了压电俘能器在车辆振动中应用。因此，低频宽带压电俘能器的研究具有重要的理论意义和应用价值。　　本文针对车辆振动的低频宽带特点，研究建立局部加强预压双稳态结构的设计方法，在实现双稳态结构设计和制备一体化的基础上，为利用跳转性能提高俘能效率的双稳态压电俘能器的设计提供了理论依据;研究建立基于预压力和附连结构的低频宽带压电俘能器的设计方法，通过协同设计预压力和附连结构降低俘能器的谐振频率、增加其宽频响应;为利用最大压电应变常数d15提高振动能量俘获，研究建立基于d15模式和非对称附连结构的压电俘能器的设计方法。主要研究内容和成果如下: 　　(1)提出了一种局部加强预压双稳态结构的设计方法，用于提高基于双稳态结构的压电俘能器的低频响应幅值。基于梁的平衡方程、边界条件和约束条件等，研究建立了局部加强预压双稳态结构的理论模型，分析了局部加强体、预压缩量以及驱动位置对双稳态结构跳转性能的影响，获得了双稳态结构的型谱图。当振动环境发生变化时，需要不同跳转性能的双稳态结构。为简化双稳态结构的复杂计算和反复实验的设计过程，根据特定拱高和跳转力遍历分析得到的型谱图，可获得满足跳转性能需求的多个设计方案，扩大了双稳态结构的设计域，实现了构型设计和制备的一体化。分析结果较好地与实验结果吻合，验证了设计方法的有效性。　　(2)针对常用调谐压电俘能器因调频变量单一引起调频范围有限的问题，提出并研究了基于预压力和侧梁（附连结构）协同设计的对称十字调谐压电俘能器。采用欧拉-伯努利梁理论、压电本构方程和哈密顿原理等，研究建立了提出的俘能器的机电耦合控制方程，分析了预压力和侧梁对俘能器谐振频率、输出电压和带宽的影响。研究表明:当预压力和总质量一定时，通过增加侧梁长度有助于降低俘能器的谐振频率并增加它在低频处的输出电压和带宽。与常用调谐俘能器相比，预压力和侧梁的协同设计可使提出的俘能器在更低频率处具有更高的电压和更大的带宽。理论、仿真和实验结果基本吻合，验证了对称十字调谐压电俘能器设计方法的有效性。　　(3)为利用最大压电应变常数d15提高低频和宽频振动中的能量俘获，提出并研究了基于d15模式的非对称压电俘能器。采用欧拉-伯努利梁理论、梁的扭转方程和哈密顿原理等，研究建立了非对称十字压电俘能器的弯扭耦合控制方程，分析了弯扭耦合变形、非对称侧梁、附加质量等对其性能的影响。研究表明:当非对称系数较大时，非对称十字压电俘能器可在较低频率下输出较高的功率;当非对称性较小时，它可利用多阶模态扩大带宽。此外，当压电片位置存在较大偏差时，非对称十字压电俘能器仍具有较高的性能稳定性。数值结果和实验结果吻合良好，验证了非对称十字压电俘能器对性能提升的有效性。　　(4)为充分利用振动引起的扭转变形能并进一步提高d15模式压电俘能器的俘能带宽，提出并研究了基于d15模式和分支梁（附连结构）的多模态压电俘能器。该俘能器利用三个附连分支梁引起的多阶模态俘获宽频振动能量。采用欧拉-伯努利梁理论、梁的扭转方程和欧拉-拉格朗日方程等，研究建立了多模态压电俘能器的机电耦合控制方程;分析了分支梁参数对谐振频率、输出功率和带宽的影响;提出了以带宽最大为设计目标的优化模型，并利用遗传算法实现了优化模型的求解。研究表明:通过合理设计分支梁参数可使多模态压电俘能器具有较大带宽且带宽对应的频段连续。通过求解优化模型可获得多个优化构型，这有助于扩大多模态压电俘能器的设计域，为俘能器的进一步优化设计奠定基础。数值结果和实验结果基本吻合，验证了优化设计的有效性。　　本文研究工作得到了国家自然科学基金项目(11572073)的资助，丰富了低频宽带压电俘能器的设计、理论建模、数值分析及实验等研究内容。
作者：	李明丽
专业：	车辆工程
导师：	高仁璟
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021