基于圆柱涡激振动压电梁水下俘能特性研究

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1、硕士学位论文基于圆柱涡激振动压电梁水下俘能特性研究ENERGYHARVESTINGUSINGAPIEZOELECTRICCANTILEVERBASEDONCYLINDRICALVORTEX-INDUCEDVIBRATIONINWATER（学术型）吕凤池哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TM619学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文基于圆柱涡激振动压电梁水下俘能特性研究（学术型）硕士研究生：吕凤池导师：谢涛教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学

2、位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM619U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringENERGYHARVESTINGUSINGAPIEZOELECTRICCANTILEVERBASEDONCYLINDRICALVORTEX-INDUCEDVIBRATIONINWATER(Academic)Candidate：FengchiLvSupervisor：Prof.TaoXieAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineer

3、ingSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要流体流过非流线型物体时，一定条件下会在物体两侧周期性地脱落出旋向相反、排列规则的漩涡，漩涡的反作用力可使压电梁随着非流线型物体产生大摆幅振动。压电振子可利用这种持续性压强波动输出电能。本文基于涡激振动理论，提出一种双圆

4、柱-压电振子俘能装置（双圆柱系统），推导出其动力学方程，结合数值分析、ANSYS模态分析、实验研究三种方法，探索其动力学规律与压电俘能特性，优化俘能模型，以获得较大的能量输出。采用能量等效的方法，求出质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵与力矩阵，推导双圆柱系统动力学方程。将压电作用力等效成压电阻尼，融合到阻尼矩阵中；利用微元法，求出圆柱绕流产生的漩涡对梁与圆柱的作用力。使用拉格朗日方程，将力的作用点等效到两个圆柱的中心。建立仿真模型,对典型的双圆柱系统进行模态分析，阐述实现一阶固有频率共振的合理性。基于双圆柱系统动力学方程，结合数值分析、仿真分析、

5、实验分析的方法，得到圆柱直径影响双圆柱系统振动特性，探究流速与压电梁长度一定时，圆柱长度与圆柱直径的变化对系统共振的影响。推导最优电阻的计算方程，从理论与实验上验证最优电阻计算的正确性，在此基础上探究圆柱直径和流速对最优电阻的影响。提出双圆柱系统理想模型设计流程，针对不同流速的流体，设计该流速条件下俘能性能较好的双圆柱系统。用粘涂硅胶的方法解决实验条件下压电梁水下俘能的绝缘问题。采用控制变量法，将双圆柱与单圆柱俘能装置的俘能性能进行实验对比，分析双圆柱相对于单圆柱水下俘能的优势。关键词：双圆柱系统；压电振子；水下俘能；涡激振动；I哈尔滨工业

6、大学工学硕士学位论文AbstractKarmanvortexstreetisformedwhenthewaterflowsoverthenon-streamlinedbodyundercertaincondition.Thepiezoelectricbeamscangenerateenergyusingtheperiodicpressurefluctuation.Ifthebeamsarefixedwithonesideofthenon-streamlinedbodywhichisdriventomovebytheflow,itwillvi

7、bratecontinuallywiththenon-streamlinedbodyaslongastheflowexists.Inthispaper,adoublecylinders-piezoelectricbeamsenergyharvester(doublesystem)isputforwardbasedonthevortex-inducedvibrationtheory.Thedynamicequationaboutthedoublesystemwasestablished.Thenumericalanalysisisfusedw

8、iththeANSYSmodalanalysisandtheexperimentresearchtofindthedynamiccharactersandtheharvestin