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原文传递多功能局域共振型周期梁结构减振俘能分析

论文题名：	多功能局域共振型周期梁结构减振俘能分析
关键词：	桥梁检测;局域共振型周期梁结构;减振俘能;低频环境
摘要：	随着我国智能交通运输现代化水平的提高，压电能量采集器以其优越的力电转换性能被视为未来无线传感器独立电源的重要方式。为了对桥梁进行动态健康检测，同时实现对结构振动的有效控制，学者们从可操纵波传播的周期结构出发，提出了形式多样的多功能能量采集局部共振器来实现对智能结构的减振俘能。然而，在以往的研究中，所选取的目标振动控制频段普遍较高，压电俘能器的输出能量也不理想，不足以支撑土木低频环境中大多数商用传感器的使用。因此，进一步设计具有较高功率发电性能且不会明显抑制弯曲波振动衰减程度的多功能结构具有重要意义。　　本文以提高局域共振型周期梁结构在低频率范围功率输出水平为目标，将具有高力电转换效率的33d式承压型压电俘能器集成到有限长梁下局部谐振元结构中，代替过去多功能周期结构研究中普遍使用的31d式共振型压电俘器，采用理论分析和数值模拟的手段对结构的双重性能进行评估。主要工作和结论如下：　　（1）设计了一种动态放大压电能量采集器的局部谐振器，即TMDPEH模型，求解考虑逆压电效应影响后压电俘能单元的等效参数，利用有限元仿真软件进行数值模拟，验证模型的正确性。经参数分析后发现放大装置的斜梁段厚度和水平夹角对系统能量输出影响较大，确定斜梁段最佳尺寸为厚1mm，水平夹角为2°。　　（2）基于模态分析法求解带隙理论，将机械、机电谐振器耦合共同作用于主结构，从有限长梁角度理解电路部分对周期结构衰减域的影响。分析了电路短路、断路时结构带隙位置变化，给出了一般阻值条件下衰减域上、下边界频率的解，证实了利用电阻控制带隙的可行性。对相关参数进行讨论，研究结果进一步说明了系统总质量比、局部谐振器刚度、负载电阻对衰减域范围的调控作用。　　（3）建立了有限长多功能局域共振型周期结构数值模型，施加集中外荷载激励，讨论在不同荷载位置、不同周期数量、不同空间分布形式下结构的减振俘能特性。首先以控制梁跨中位移幅值为目标，调节振子固有频率以匹配梁一阶自振频率，改变激励源作用位置讨论结构双重功能。研究发现，当荷载作用在梁L/4位置时结构衰减域宽度最大达到0.65Hz，带隙内输出电压幅值达到7938.21V，功率峰值达到2.90W；其次，固定系统总质量比不变，改变基本周期单元数量，确定使结构达到最优多功能特性的周期数量为6个；最后提出两种谐振器空间分布配置形式，经过对不同构型下结构衰减带宽和能量汇集峰值的对比发现，第二种空间配置形式更能兼顾结构能量收集和位移衰减的性能。　　本文提出了一种新型多功能局域共振型周期梁结构，局部谐振单元的周期排布不仅使结构拥有了与传统大质量减振装置相近水平的减振性能，还为无线传感器提供了更高级别的功率输出，缓解了减振和俘能互相抑制的矛盾，这为低频带环境激励下桥梁的有效减振和高效俘能实际应用提供了思路。
作者：	郭丽娜
专业：	土木工程
导师：	向宏军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023