串联非线性压电俘能系统中逆压电效应及俘能特性的研究

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1、国内图书分类号：TH113密级：公开国际图书分类号：621西南交通大学研究生学位论文串联非线性压电俘能系统中逆压电效应及俘能特性的研究年级2015级姓名胡彪申请学位级别工学硕士专业机械设计及理论指导老师谢进教授二零一八年五月ClassifiedIndex:TH113U.D.C:621SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisSTUDYONCONVERSEPIEZOELECTRICEFFECTANDHARVESTINGCHARACTERISTICSOFTH

2、ESERIESNONLINEARPIEZOELECTRICENERGYHARVESTINGSYSTEMGrade:2015Candidate:HUBiaoAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpecialty:MechanicalDesignandTheorySupervisor:Prof.XIEJinMay，2018西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版

3、，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密□，使用本授权书。（请在以上方框内打―√‖）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：日期：西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1.针对在不同激励振幅、不同频率下的能量俘获问题，建立了串联非线性压电俘能系统及其动力学模型，分析了串联非线性压电俘能系

4、统在弱磁力下动力学特性，重点研究了强磁力下系统在不同的激励幅值、频率时由于逆压电效应而产生的周期、拟周期和混沌等复杂的动力学行为。研究表明，由于串联电路及逆压电效应的作用，在弱磁力情况下将会发生振动传播，而在强磁力情况下会发生振动传播和混沌传播。2.针对弱磁力下串联非线性压电俘能系统的振动传播，重点研究了逆压电效应参数对振动传播的影响。使用多尺度摄动法，推导了系统的位移响应与激励幅值的关系式，以响应幅值比作为振动传播效果的评价指标，分析了逆压电效应系统参数对振动传播效果的影响。3.针对强磁力下串联非线

5、性俘能系统的混沌传播，重点研究了逆压电效应参数对混沌传播的影响。基于均匀度理论，以k步混沌强度比作为混沌传播效果的评价指标，1探讨了逆压电效应参数对混沌传播的影响。4.对串联非线性压电俘能系统的俘能特性进行了研究。研究表明：混沌运动可以提高压电俘能器在小振幅激励下的俘能效果。利用Melnikov方法，确定出了压电俘能器的混沌边缘的解析解，并与仿真解进行比较，同时对影响混沌边缘的系统参数进行了分析，为小振幅激励下串联非线性俘能系统的设计提供了参考依据本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行

6、研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：日期：西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要非线性压电俘能器因其能够在低频、宽带的环境振动中高效俘能，受到众多研究者的广泛关注。为了俘获更多的能量，可以将多个压电悬臂梁串联或并联构成俘能阵列。在串联俘能阵列中，因放置位置、方向不同，每个俘能器可能处于不同的运动状态

7、；而压电材料的逆压电效应会将电量转化为机械能，使得俘能阵列中每个压电俘能器的动力学行为相互之间受到影响，并影响了整个系统的俘能效果。基于此，本文对串联俘能系统在逆压电效应作用下的动力学特性和俘能特性展开了研究，以期为多悬臂梁俘能系统的分析和设计提供借鉴和依据，同时也为耦合非线性动力学系统混沌运动的研究提供一种新的方法和思路。本论文的主要研究工作和结论如下：1.运用拉格朗日方程和基尔霍夫定律，基于压电材料的压电效应建立了串联非线性压电俘能系统的机电耦合方程，并根据磁力的强弱不同，分析了系统在弱磁力下的动

8、力学特性，重点研究了强磁力下系统在不同激励幅值组合、频率组合时由于逆压电效应作用而产生的动力学行为。研究表明：一个压电俘能器无论作周期运动还是混沌运动，由于逆压电效应的作用，将会导致振动传播或混沌传播，使得另一压电俘能器即使在没有输入激励时也会作相同的运动。2.针对弱磁力下串联俘能系统由于逆压电效应而产生的振动传播，本文使用多尺度法推导了系统位移响应和激励幅值的关系式。基于此关系式，研究了系统的等效负载及等效机电耦合系数等参数对串联系统中振动传播的影响。