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原文传递三自由度磁式非线性压电俘能器力电特性分析

论文题名：	三自由度磁式非线性压电俘能器力电特性分析
关键词：	高铁桥梁;健康监测;三自由度磁式非线性压电俘能器;力电特性
摘要：	高速铁路的蓬勃发展离不开高铁桥梁的建设，桥梁的健康状态直接影响高铁系统的正常运营。通过无线传感器进行桥梁健康监测是目前的研究趋势，但是为其持续供能是个棘手的问题。近些年研究压电俘能器的学者们发现其能通过俘获桥梁振动能量实现无线传感器自供电，因此压电能量俘获在近些年来广受关注。但是由于桥梁振动具有振幅小、频带宽的特征，传统线性压电俘能器的输出功率并不理想，因此设计出一种俘能频带宽且输出功率高的压电俘能器是目前桥梁振动能量俘获领域迫切需要的。　　本文通过将弹性放大器、磁铁以及双自由度压电悬臂梁相结合，提出了一种三自由度磁式非线性压电俘能器，并研究了俘能器在不同形式荷载下的俘能性能，研究内容和主要结论如下：　　（1）设计了一种新型三自由度磁式非线性压电俘能器，主要由折叠梁和弹性放大器组成。推导了非线性俘能器的力-电-磁耦合方程，并通过COMSOL对非线性俘能器理论进行验证。计算结果表明理论解具有良好精度，验证了非线性俘能器理论的正确性。　　（2）研究了在简谐激励及高斯白噪声随机激励下俘能器的性能，并明确了非线性压电俘能器在不同幅值激励下的性能表现。本文设计的非线性俘能器的性能提升机制主要包含两个方面：一是通过弹性放大器对悬臂梁位移的放大从而提高俘能器的输出电压，二是非线性磁力以及双自由度悬臂梁的引入使得俘能器的俘能频带显著提高。并综合分析了单稳态构型、双稳态构型以及线性结构在不同激励下的俘能表现，可以得出双稳态构型虽然在大幅值激励下可以在势阱间大幅振荡进而俘获可观能量，但在小幅值激励下的功率输出不尽人意，反观单稳态构型在桥梁振动加速度范围内的输出响应均优于线性结构和双稳态构型，因此单稳态构型在俘获桥梁振动能量中更具优势。并对磁铁中心距离和弹性放大器质量这两个关键参数进行参数分析，研究得出在随机激励下，通过调节弹性放大器质量将其频率调至低频以及调节磁铁间距接近临界距离的方式可以提升俘能器的性能。　　（3）提出了在实测高铁箱梁桥振动加速度激励下非线性俘能器的设计准则并研究其工作性能。由于高铁桥梁振动加速度幅值较小，可以基本忽略俘能器刚度中磁力带来的非线性项。通过观察小幅值简谐荷载下俘能器的响应，证明了在高铁桥梁激励下非线性俘能器频响曲线趋于线性，且固有频率受磁铁间距影响的假设，并以此作为设计准则。通过与传统压电俘能器对比，发现非线性俘能器的输出功率远大于它。并对负载电阻、磁铁中心距离和弹性放大器质量进行参数分析，在保持俘能器频率与目标高铁桥梁频率匹配的条件下，得出提高弹性放大器质量以及调节磁铁间距接近临界距离可以提升俘能器工作性能的结论，为设计俘获桥梁振动能量的非线性俘能器提供建议。
作者：	王俊伟
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