碰振升頻振動能量採集原理及非光滑動力學分析

《碰振升頻振動能量採集原理及非光滑動力學分析》是依託南京航空航天大學，由高雪擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碰振升頻振動能量採集原理及非光滑動力學分析
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：高雪
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

振動能量採集技術是一種清潔能源技術，傳統的振動能量採集器諧振頻率高、工作頻帶窄，因而不能有效地採集環境中的振動能。碰振升頻振動能量採集方案由低頻驅動振子和高頻結構通過碰撞耦合組成，碰撞的存在一方面使得低頻振子共振頻率偏移或使其產生亞諧共振甚至混沌以拓寬能量採集頻寬，另一方面通過部分能量轉移誘發高頻子系統的高頻自由或周期振動以提高能量輸出水平，從而突破高效能量輸出與低工作頻率及寬採集頻帶無法兼顧的瓶頸問題。本質上碰振升頻振動能量採集系統是雙自由度的碰振系統，本項目擬從非線性動力學角度出發，闡述振動能量採集原理，研究碰振升頻系統的複雜非光滑動力學行為及與換能效率的關係，並提出非線性動力學設計理論。

結題摘要

能量採集技術是一種非常有前途的清潔能源技術，能量採集技術可以將周圍環境的能量（光、熱、振動、噪聲等）通過某種方式自動轉化成電能，從而為各種低功耗微電子器件供能。而振動能是環境中最普通的一種能源，以不同的形式、強度和頻率廣泛存在於航空、航天、船舶、土木、車輛等工程領域，而且其能量等級僅次於光能。因此，振動能量採集器已成為可自我維持電源研究中的一大熱點，在航空航天、武器裝備、生物醫學、智慧型樓宇等領域中具有較為廣泛的套用價值與潛景。針對傳統低頻振動能量採集技術主要存在的功率密度低、採集頻帶窄等問題，本項目提出了碰振升頻振動能量採集設計方案，並從非線性動力學角度出發，研究碰振升頻系統的複雜非光滑動力學行為及與換能效率的關係，並提出動力學設計理論。主要研究集中於電磁式碰振升頻振動能量採集裝置的碰撞動力學模型的建立，以及採集系統的動力學特性和電學輸出性能的研究兩部分，並針對採集系統的實驗方案實現及採集性能的提升問題，完成了兩項專利設計方案。主要研究結論如下：高頻採集振子對低頻驅動振子起到限位作用，由於高頻採集振子剛度較大，與低頻驅動振子的振動幅值相比幾乎為零，低頻驅動振子的最大幅值基本限制約為碰撞間隙的取值；碰撞間隙只起到移頻作用，並不明顯影響低頻驅動振子的最大輸出電壓。因此低頻驅動振子的固有頻率選取並不能直接等於外激勵頻率，為了獲取最優的能量輸出，需根據輸出電壓峰值所對應的頻率比進行選取。在碰撞發生頻帶，高頻採集振子對總功率輸出的貢獻比例也明顯提升，如在碰撞間隙D=1時， 頻率區間，貢獻比約在30%。高頻採集振子的電能輸出水平決定於碰撞發生後的速度；在獲得高水平速度時，一個激勵周期內的單次碰撞有利於保證高頻採集振子得獲高水平的電能輸出。