双稳态压电悬臂梁俘能器宽频特性研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文双稳态压电悬臂梁俘能器宽频特性研究硕士研究生：王涛指导教师：刘少刚教授学科、专业：机械工程论文主审人：孔凡凯教授哈尔滨工程大学2017年12月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文双稳态压电悬臂梁俘能器宽频特性研究硕士研究生：王涛指导教师：刘少刚教授学位级别：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：2017年12月21日论文答辩日期：2018年03月05日学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngResearchonBroadb

2、andPiezoelectricPowerHarvestingofaBi-stableStructureCandidate:WangTaoSupervisor:Prof.LiuShaogangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSubmission:Dec.21,2017DateofOralExamination: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

3、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、

4、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（签字）：日期：年月日年月日摘要近十几年来，随着集成电路技术的快速发展，微机电系统（MEMS）在民用工业以及国防军事等领域得到了广泛的应用，同时推动了利用压电材料收集环境中振动为MEMS供能的俘能器的研究。目前，压电俘能器普遍采用单自由度线性结构，存在共振频率较高、工作带宽较窄等问题，还

5、不能被应用到生产实践中。因此，拓宽系统工作频带，提高能量输出效率已成为对振动俘能器研究的主要方向。本文首先回顾了振动俘能器的发展概况，重点介绍了非线性双稳态结构的工作原理。接着利用理论和试验的方法对单自由度非线性双稳态结构的宽频特性进行了研究。然后提出了一种两自由度的双稳态结构，并通过与单自由度结构的比较分析，研究了两自由度结构的输出特性。本文所做工作主要包括以下几个方面：1）建立了一种单自由度的双稳态压电振动俘能器并建立了系统的机电耦合模型。在建模过程中以压电力为耦合因子，利用牛顿第二定律建立了系统带修正参数的运动控制方程并对方程进行无量纲化处理，得到系统状态方程。2）采用Matlab软件对

6、单自由度双稳态系统状态方程进行了求解，得到了系统电压输出随频率变化的曲线。将此双稳态系统电压输出曲线与无磁力时线性系统的电压输出曲线进行比较，结果表明双稳态系统的工作频带比线性系统的工作频带拓宽了7Hz。分析了参数变化对系统影响，得出选取适当的末端质块初速度、初始位置以及磁铁间距d能够提升系统输出效率的结论。3）提出了一种两自由度双稳态压电振动俘能结构并通过建模与仿真得到系统电压输出曲线。将两自由度系统与单自由度系统的输出特性进行比较分析，得出两自由度结构能够有效降低双稳态系统阈值，进一步拓宽工作频带，提升总体能量收集效率的结论，其总体工作频带比单自由度双稳态结构拓宽了10Hz左右。4）建立单

7、自由度与两自由度俘能器试验装置，通过扫频试验得到两个系统的实际幅频曲线。将实验曲线与相应的仿真结果相比较，研究了两个系统的实际宽频效果。同时，研究了不同取值的磁铁间距d以及两自由度俘能器结构中前段悬臂梁刚度ke与末端质块质量me对双稳态系统输出效率的实际影响。本文通过理论与实验的方法，验证了单自由度双稳态结构俘能器相比于线性结构具有明显的宽频特性，同时研究了两自由度双稳态系统在降低系统阈值，提升系