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Elucidation of self-tuning resonance phenomena in mechanical systems and their application to broadband energy harvesting

阐明机械系统中的自调谐共振现象及其在宽带能量收集中的应用

基本信息

批准号：
20K04354
负责人：
杉浦壽彦
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，環境条件に応じて質量分布などを受動的に変化させて共振状態に至る自己適応機構の共振メカニズムの理論的解明とともに，その現象を応用した広帯域の振動エネルギーハーベスティングの実証を目的とする．対象とする機械システムは，外部から加振を受ける連続体と，それに沿ってスライドしうる可動性を有する付加質量とから成る．加振時には付加質量が過渡的に移動し，系の共振状態に達しうる．この種の問題の従来研究のほとんどは，可動条件を既知として与える．これに対して，自己共振現象では付加質量の並進運動は本体の振動と連成し，外部加振に対して受動的に決定する点，本質的に過渡的な動力学問題となる点，付加質量可動時に本体との摩擦と衝突という扱いの難しい非線形現象を本質的に含む点に，本研究課題の学術的独自性がある．令和2年度における自己共振機構の製作・測定および数学的モデリングと解析，令和３年度におけるギャップ長による運動の質的変化の調査に続き，令和４年度は，加振周波数，加振振幅をパラメータとして，付加質量（スライダ）固定時と比較して，スライダ可動時，共振周波数帯域が広域化する様子を数値解析と実験で調べた．また，はりの幾何学的非線形性に起因するハードスプリング性とそれに伴う共振時のヒステリシス性を数値解析と実験で確認した．次に，広帯域に対応した振動エネルギーハーベスティング装置の実証とエネルギーの効率的回収を目指して，振動を電気エネルギーに変換するための電気回路系を連成させたシステムを製作して実験を実施した．具体的には，抵抗を含む電気回路に接続した圧電素子をはりに圧着して，機械振動を電気回路側の交流に変換した．これによって，自己共振の広帯域化に応じた発電電力応答の広帯域化を確認するとともに，圧電素子の位置と発電効率の関係を調べ，数値計算との対応を確認した．

This study aims at solving the problem of mass distribution, vibration, resonance, etc. under environmental conditions. For example, the mechanical structure of the external vibration is connected to the body, and the mobility of the external vibration is connected to the mass. When the vibration is applied, the mass is transferred, and the resonance state is reached. The problem of this kind of seed is studied in detail, and the movable condition is known. In this paper, the author discusses the problem of resonance phenomenon, which is composed of the vibration of the body, the external vibration, the dynamic transition, the friction conflict, and the non-linear phenomenon. In the second year, the resonance mechanism was manufactured, measured and analyzed mathematically. In the third year, the vibration frequency and amplitude of the vibration were investigated. In the fourth year, the resonance frequency band was analyzed numerically when the mass was fixed and the mass was movable. The non-linear cause of the geometry is confirmed by the numerical analysis of the non-linear cause of the resonance. Second, the frequency of vibration and vibration. Specifically, the resistance to electrical circuits includes electrical voltage, electrical element, mechanical vibration, electrical circuit and AC voltage. In this case, the localization of resonance and the identification of the localization of transmission power are discussed.