《分散式多層壓電俘能系統的理論與設計技術研究》是依託西安交通大學，由羅亞軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：分散式多層壓電俘能系統的理論與設計技術研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：羅亞軍
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
環境振動能量的俘獲技術已成為當前一個重要研究熱點。本項目提出一種分散式多層壓電俘能結構設計方法，基於俘能系統中壓電-結構的一體化設計思想，以實現梁、板、殼等典型大尺度結構振動能量的高效率轉換為目的，就以下幾個方面開展研究工作：（1）建立多層壓電俘能結構的力電耦合理論模型，開展振動環境及結構參數對壓電俘能系統輸出電能等性能評估參數的影響規律分析，以及壓電遲滯效應和層合結構高階剪下特性等非線性因素對整體俘能系統的性能影響；（2）為實現多模態振動能量俘獲，設計分散式多層壓電俘能結構，通過建立多層壓電俘能結構的單元模型和俘能系統的力電耦合有限元模型，以及最佳化設計模型，開展結構參數的最佳化設計研究；（3）研製多頻能量存儲電路，搭建分散式多層壓電俘能系統試驗平台，開展理論模型和最佳化設計方案的試驗驗證，以及實際工程的技術套用分析。
結題摘要
本項目以大尺寸振動結構為俘能對象，提出了一種分散式多層壓電結構俘能方法。該結構利用壓電材料正壓電效應的e31/e32模式，主要採集振動結構的彎曲模態回響能量。我們針對新型俘能結構的俘能機理，參數影響規律，俘能電路配置等研究方向，以梁和板結構為具體振動俘能對象，開展了相關理論建模、數值仿真和試驗技術研究。具體工作包括： （1）設計了一種多層壓電俘能結構方式，以懸臂樑上局部貼上該壓電結構為對象，根據壓電材料的機電耦合本構關係和Hamilton能量變分原理等理論，完成了俘能系統的理論建模研究，給出了各壓電層不同輸出連線方式下的動力學方程，以及輸出電勢和輸出功率等回響的表達式。進一步完成了懸臂樑俘能系統的開環諧回響仿真分析和阻抗最佳化設計。最後搭建了一個多層壓電俘能試驗系統，試驗得到了各種工況下整流前後的輸出電勢，以及各工況下的電容元件（10μF）充電試驗結果。試驗結果發現多層壓電結構的輸出電勢並未顯著優於單層結果，但在充電試驗中發現，並聯及串並聯電路方式中，多層壓電結構具有更快的充電速度，這也與理論仿真結果相一致。 （2）基於薄板結構設計了一種分散式多層壓電結構振動俘能方式，採用上述相同理論方法完成了理論建模，並通過數值仿真完成了壓電結構不同位置時的俘能特性仿真分析。其次，建立了多層壓電結構的有限元單元模型和整體有限元理論模型，完成了分散式多層壓電板結構振動俘能特性的仿真分析，仿真結果同樣發現壓電結構貼上位置對其輸出電勢有顯著影響。最後完成了相應的俘能特性試驗研究，試驗結果基本情況與懸臂樑類似，且發現靠近固定端，分散式俘能系統中的壓電片具有更佳的俘能性能。 （3）針對上述試驗結果相比於理論仿真，在俘能性能方面欠理想等問題，基於有限元方法開展了相關探究，並通過厚梁結構的振動俘能特性試驗研究，驗證了相關解決方案。總之，當前振動俘能技術為了在實際套用中獲得更加理想結果，應該注意如下幾個方面的設計：①降低貼片區域壓電結構產生的附加剛度影響，具體如儘可能減少粘結層厚度，採用更為輕柔的壓電纖維材料進行俘能設計，或提高梁/板結構與壓電結構的厚度比等；②在保證足夠的供電電壓條件下，多層壓電結構採用並聯或串並聯方式將獲得更加快速的供電能力；③根據振動結構的模態振型合理布置多層壓電結構的分布方式，可有效提高俘能性能。
