分布式多层压电俘能系统的理论与设计技术研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
11102147
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
30.0万
负责人：
罗亚军
依托单位：
西安交通大学
学科分类：
A0808.多场耦合与智能结构力学
结题年份：
2014
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2014-12-31

项目参与者：
张希农；张春林；马驰骋；边鹏飞；孙磊；
关键词：
振动多层压电结构压电俘能分布式优化

项目摘要

环境振动能量的俘获技术已成为当前一个重要研究热点。本项目提出一种分布式多层压电俘能结构设计方法，基于俘能系统中压电-结构的一体化设计思想，以实现梁、板、壳等典型大尺度结构振动能量的高效率转换为目的，就以下几个方面开展研究工作：（1）建立多层压电俘能结构的力电耦合理论模型，开展振动环境及结构参数对压电俘能系统输出电能等性能评估参数的影响规律分析，以及压电迟滞效应和层合结构高阶剪切特性等非线性因素对整体俘能系统的性能影响；（2）为实现多模态振动能量俘获，设计分布式多层压电俘能结构，通过建立多层压电俘能结构的单元模型和俘能系统的力电耦合有限元模型，以及优化设计模型，开展结构参数的优化设计研究；（3）研制多频能量存储电路，搭建分布式多层压电俘能系统试验平台，开展理论模型和优化设计方案的试验验证，以及实际工程的技术应用分析。

结项摘要

本项目以大尺寸振动结构为俘能对象，提出了一种分布式多层压电结构俘能方法。该结构利用压电材料正压电效应的e31/e32模式，主要采集振动结构的弯曲模态响应能量。我们针对新型俘能结构的俘能机理，参数影响规律，俘能电路配置等研究方向，以梁和板结构为具体振动俘能对象，开展了相关理论建模、数值仿真和试验技术研究。具体工作包括：. （1）设计了一种多层压电俘能结构方式，以悬臂梁上局部粘贴该压电结构为对象，根据压电材料的机电耦合本构关系和Hamilton能量变分原理等理论，完成了俘能系统的理论建模研究，给出了各压电层不同输出连接方式下的动力学方程，以及输出电势和输出功率等响应的表达式。进一步完成了悬臂梁俘能系统的开环谐响应仿真分析和阻抗优化设计。最后搭建了一个多层压电俘能试验系统，试验得到了各种工况下整流前后的输出电势，以及各工况下的电容元件（10μF）充电试验结果。试验结果发现多层压电结构的输出电势并未显著优于单层结果，但在充电试验中发现，并联及串并联电路方式中，多层压电结构具有更快的充电速度，这也与理论仿真结果相一致。. （2）基于薄板结构设计了一种分布式多层压电结构振动俘能方式，采用上述相同理论方法完成了理论建模，并通过数值仿真完成了压电结构不同位置时的俘能特性仿真分析。其次，建立了多层压电结构的有限元单元模型和整体有限元理论模型，完成了分布式多层压电板结构振动俘能特性的仿真分析，仿真结果同样发现压电结构粘贴位置对其输出电势有显著影响。最后完成了相应的俘能特性试验研究，试验结果基本情况与悬臂梁类似，且发现靠近固定端，分布式俘能系统中的压电片具有更佳的俘能性能。. （3）针对上述试验结果相比于理论仿真，在俘能性能方面欠理想等问题，基于有限元方法开展了相关探究，并通过厚梁结构的振动俘能特性试验研究，验证了相关解决方案。. 总之，当前振动俘能技术为了在实际应用中获得更加理想结果，应该注意如下几个方面的设计：①降低贴片区域压电结构产生的附加刚度影响，具体如尽可能减少粘结层厚度，采用更为轻柔的压电纤维材料进行俘能设计，或提高梁/板结构与压电结构的厚度比等；②在保证足够的供电电压条件下，多层压电结构采用并联或串并联方式将获得更加快速的供电能力；③根据振动结构的模态振型合理布置多层压电结构的分布方式，可有效提高俘能性能。