《微型雙穩態板壓電俘能器的理論和實驗研究》是依託北京工業大學，由陳麗華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：微型雙穩態板壓電俘能器的理論和實驗研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳麗華
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著微/納加工技術的發展，無線感測器尺寸越來越小，對長壽命電源的需求越來越強烈。所以，能夠吸收環境振動，為其提供電能的微型壓電俘能器成為研究熱點。本項目針對微型的雙穩態板結構，利用應變梯度理論，考慮尺度效應，構建包含特徵長度的本構方程；綜合考慮壓電效應、溫度和幾何非線性的影響，建立力-熱-電多場耦合的非線性動力學模型。通過理論分析和數值模擬研究系統的分岔特性和混沌運動等複雜非線性動力學回響。並且利用壓諧共振和混沌等非線性現象，以及兩個穩態之間的跳變（snap-through)，在非共振頻率的環境下實現大幅寬頻振動，從而使壓電俘能器達到更好的發電效率。通過和實驗相結合的方法研究壓電材料的壓電常數，機電耦合係數，基體材料參數，結構幾何尺寸和微尺度效應對能量轉換效率的影響規律。本項目的研究為微型壓電俘能器的實際套用和最佳化設計提供了理論依據和實驗參考。
結題摘要
在傳統能源如石油、天然氣、煤炭等不可再生能源的過量使用對人們賴以生存的環境造成了不可恢復的破壞，新能源的開發和新型材料的利用得到了世界各國的重視的背景下。本項目針對微型的雙穩態板結構，建立力-熱-電多場耦合的非線性動力學模型。通過理論分析和數值模擬研究系統的分岔特性和混沌運動等複雜非線性動力學回響。並且利用超諧共振和混沌等非線性現象，以及兩個穩態之間的跳變，在非共振頻率的環境下實現大幅寬頻振動，從而使壓電俘能器達到更好的發電效率。通過和實驗相結合的方法研究能量轉換效率的影響規律。通過本項目的研究發現：（1）當結構尺寸達到微米量級時，需要考慮尺寸效應。（2）本項目採用的應變梯度理論，可以描述和解釋微尺度帶來的本構關係的改變。（3）微型雙穩態俘能器在俘能的過程中，存在著跳變導致的大幅振動現象，並且發生了1/3的超諧共振現象，提高了俘獲電壓和效率。（4）當結構尺寸達到納米量級時，撓曲電效應需要考慮，並且與壓電效應相互耦合，提高了雙穩態壓電俘能器的能量轉換效率。（5）基於Abques軟體，針對微型雙穩態壓電俘能器，本項目開發了一種新的熱-電-力耦合微型單元，運用進行有限元分析。（6）為了拓寬俘能器的工作頻寬，提高自適應能力，本項目設計了一種新型的自調諧雙穩態壓電俘能器。通過附加箱子和滾動球，利用球位置的改變，自動調節結構的固有頻率，增加俘能器的工作頻率範圍。
