单自由度分段线性压电系统振动特性及宽频俘能研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文单自由度分段线性压电系统振动特性及宽频俘能研究硕士研究生：程元指导教师：吴艳红副教授学科、专业：机械工程论文主审人：刘少刚教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文单自由度分段线性压电系统振动特性及宽频俘能研究硕士研究生：程元指导教师：吴艳红副教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDe

2、greeofM.EngStudyonVibrationCharacteristicsandWideBandwidthPolarizationofSingleDegreeofFreedomPiecewiseLinearPiezoelectricSystemCandidate:ChengYuanSupervisor:A/Prof.WuYanhongAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSubmission:Jan.11,2018Da

3、teofOralExamination:Mar.05,2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本

4、人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（

5、签字）：日期：年月日年月日摘要近二十年来，随着微加工技术和电子技术的快速发展，无线传感系统的功耗不断下降，使得利用环境中的振动能量为微机电无线传感设备供能成为可能，进而推动了压电能量收集装置的研究。其中分段线性能量收集器因其结构简单、响应频带宽等优点成为最具前景的研究方向。因此，完善分段线性压电系统的理论研究对提高装置环境适应能力、促进其实用化进程具有重要的意义。本文回顾了振动俘能装置及压电发电系统的研究现状，发现对分段线性能量收集器的研究主要集中于装置结构的改进优化，且分析方法多数着重于实验研究，对分段线性压电系统理论求解方法的研究仍显不足。针对分

6、段线性能量收集器理论求解过程困难，本文引入增量谐波平衡法对其进行分析，并在此基础上完成了分段线性系统的理论和实验研究工作。本文首先设计了一种单自由度的分段线性压电能量收集器，并建立了能量收集器的三维模型。基于欧拉梁理论，完成了机械结构等效集中参数建模。考虑到外部负载对系统输出性能的影响，建立了压电等效电路模型，最终得到了单自由度压电能量收集器的动力学微分方程。其次，引入了增量谐波平衡法求解系统微分方程，经增量过程及Galerkin过程处理得到迭代公式，并通过数值计算求得了系统的输出开路电压幅频曲线。通过与相应的线性系统进行对比分析，结果表明分段线性系

7、统电压曲线表现出明显的共振峰值偏移现象，且系统峰值电压为21.53V，对应的频率为51Hz。同时对系统的输出功率随外部负载阻抗变化趋势进行了分析，得到了系统最大输出功率为954μW，此时外接电路中的负载阻抗值为121.43kΩ。再次，基于稳定性理论对分段线性系统输出电压解的稳定性进行了分析，得到了系统的稳定输出电压幅频曲线，并确定了系统具有宽频高幅值电压输出时的外部激励条件。根据系统输出功率变化特点，得到了在不同激振频率下系统的输出功率随负载阻抗的变化关系，通过与其对应的线性系统进行对比，分析了系统宽频俘能特性，结果表明分段线性能够在将近5Hz的频率

8、区间上仍能保持高输出功率，而线性系统对应的频率区间只有不到1Hz。此外，基于增量谐波平衡法得到的数值迭代公式