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2019年 40卷 5期
刊出日期：2019-10-28
研究论文
 
       研究论文
381 面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究
邹鸿翔 张文明 魏克湘
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.020
压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能，可以实现自供能传感、控制与驱动，具备灵活、节能环保、可持续的优势，具有广阔的应用前景。为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合，提出面内压电振动能量采集，将压电振动能量采集器进行扁平化设计，使其在二维平面内采集振动能量，在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间。为了提高输出功率与工作频宽，设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器。考虑弯张小变形，通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型。分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响。数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能，结果表明，通过合理的设计，面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量。面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化。
2019 Vol. 40 (5): 381-389 [摘要] ( 253 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 222 )
390 谐波平衡法与复平均法计算强非线性系统稳态响应的区别
李响 张业伟 陈立群
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.030
近些年，很多学者致力于利用非线性增强振动响应减少的效果或者能量采集器的效率。因而非线性系统的响应值需要从理论计算方面更准确地预测。另外，根据学者已取得的研究成就，非线性能量汇(NES)中存在的立方刚度非线性可以将结构中宽频域的振动能量传递至非线性振子部分。文章将一种由NES和压电能量采集器组成的NES-piezo装置与两自由度主结构耦合连接，系统受谐和激励作用。文章采用谐波平衡法和复平均法分别推导了系统稳态响应，参照数值结果，对比两种近似解析方法在求解强非线性系统稳态响应时的异同。计算结果表明，系统体现较弱非线性时，二者计算结果差异很小；当系统体现强非线性时，复平均法不能准确地呈现系统高阶响应，提高阶数的谐波平衡法能更准确地表示系统响应值。基于谐波平衡法和数值算法，讨论NES-piezo装置对于系统宽频域减振的影响。与仅加入非线性能量汇情况对比，结果表明NES-piezo装置不会恶化宽频域减振效果，并且在第一阶共振频率附近，可以稍微提高结构减振效率。另外，计算结果也表明，采用恰当的NES-piezo装置可实现宽频域范围的结构减振和压电能量采集一体化。此项研究工作为研究不同情形强非线性系统的响应提供了理论方法的指导。另外，研究结果也为宽频域范围的结构减振和压电能量采集一体化提供了理论依据。
2019 Vol. 40 (5): 390-402 [摘要] ( 689 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 236 )
403 附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的理论建模及分析
曹东兴 高彦辉 张伟
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.028
论文建立了一种附磁阶梯变厚度压电悬臂梁的动力学模型并分析了系统的俘能特性。基于Euler-Bernoulli梁理论分段建立系统能量函数并引入非线性磁势能，利用Lagrange方程建立了系统机电耦合动力学方程；利用数值方法分析了磁间距对系统振动特性的影响，此外还研究了系统单稳态和双稳态响应，探讨了厚度比、长度比、磁间距和外激励幅值对系统动力学响应和俘能特性的影响。结果表明，磁间距是影响系统势能的主要因素，调节磁间距可使系统产生单稳态和双稳态响应，从而有效提高俘能器俘能特性；与传统等截面悬臂梁压电俘能器相比，通过优化结构参数，附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器能够发生明显的非线性振动现象，实现宽频带振动能量采集。
2019 Vol. 40 (5): 403-416 [摘要] ( 181 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 219 )
417 低速水流下不同截面形状质量块压电能量收集器的实验研究
赵道利 刘园园 周捷 孙维鹏 郭鹏程 颜志淼
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.029
本文设计了一种适用于低流速水流中的悬臂梁式压电能量收集器，利用明渠流弯道水槽对五种质量相同、截面形状不同质量块的压电能量收集器进行实验研究，通过改变水的流速，得到不同质量块能量收集器收集功率和频率随流速的变化规律并进行分析。结果表明：在实验流速范围内，各质量块均存在起振流速，当低于起振流速时，收集的均方根功率（RMS Power）约为零，超过起振流速后，收集功率随流速增加而改变；形状相似的质量块，起振流速较为接近，四棱柱的起振流速最低，圆柱次之，三棱柱的最大；质量块截面形状不同，能量收集器性能不同，其中以三棱柱（70°）的输出性能最好，在流速为0.54 m/s时收集到的最大功率为2.02mW，分别是圆柱、四棱柱（50）和三棱柱（60°）的1.06、2.58、1.36倍。本文的研究可以为类似压电能量收集器的设计提供借鉴。
2019 Vol. 40 (5): 417-426 [摘要] ( 223 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 209 )
427 基于人体运动的压电-电磁混合式振动能量采集研究
代胡亮 林时想 张岚斌 曾良
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.022
将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点。如何有效利用人体运动，增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题。本文基于人体运动特性，设计了一种新型的混合式能量采集器，同时具有压电和电磁转化机制。压电俘能是基于压电梁变形产生电能，电磁发电机采用堆叠磁组构型来切割线圈产生电动势。首先建立了混合式能量采集器的动力学理论模型，用来描述输出电压特性，并与实验进行了对比验证。理论与实验研究均表明，混合式俘能器的输出电压在一定激励频率范围内出现两个波峰。通过调节压电梁长度，可以改变峰值大小以及两个峰值间的频段范围。人体运动实验表明，混合式俘能器中可以在短时间内提供较高的电压输出，比如当跑步速度为5km/h时，3s内就可以输出1.1V直流电压驱动传感器工作；跑步时长为30s时，传感器正常工作时常可以达到77s。本文设计的混合式俘能器不仅可以快速供电，还具有较强的续航能力，这为电池充电或传感器供电提供了潜在的应用价值。
2019 Vol. 40 (5): 427-440 [摘要] ( 232 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 231 )
441 基于等效电路法的变三角截面驰振压电能量收集研究
王定标 苏震 史兆臣 李国平 王军雷
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.019
随着能源危机的逐渐加剧，人们对压电俘能器研究的投入也与日俱增，目前常见的研究压电俘能器的模拟方法只能研究其接入简单的单一电阻负载电路时的性能，且不能解决压电俘能器的高强度直流电路耦合问题。因此，本文借助二阶范德波尔控制方程将压电俘能器的主要部件等效为电子元件，进而基于等效电路法建立了与变三角截面驰振压电振动俘能器相对应的等效电路模型。借助风洞实验验证了所建立的等效电路模型的准确性。采用该模型研究了外接电路，钝体顶角，外接电阻和来流速度对变三角截面驰振压电俘能器输出电压，输出功率和响应位移的影响，结果表明，随着电阻的增大，输出电压逐渐增大且增长率逐渐减小。交直流电路的最佳负载分别为1.05 MΩ和1.4 MΩ，当风速为7.03 m/s，钝体顶角为90°时，交直流电路输出电压和输出功率的峰值分别为41.34 V，0.974 mW和50.8 V，0.616 mW。随着钝体顶角的增大，输出电压，输出功率和响应位移均逐渐增大且增大的速度逐渐减小。等效电路模型可以高效，准确地对不同结构参数下和外界电路下的压电振动俘能器的输出功率，输出电压，响应位移及其影响因素进行研究，所提出的等效电路模型于加快对压电振动俘能器的研究与推广应用具有一定意义。
2019 Vol. 40 (5): 441-450 [摘要] ( 187 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 207 )
451 超低频振动能量收集器中夹片弹簧结构的建模与验证
吴义鹏 王越 周圣鹏 谢维泰 季宏丽 裘进浩
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.017
针对一类基于夹片弹簧的压电振动能量收集器，利用材料力学莫尔积分理论建立了振荡俘能结构中夹片弹簧的等效刚度模型，通过万能拉伸试验机验证了模型精度。在此基础上，讨论了夹片弹簧刚度线性简化的两种途径：拉伸曲线线性拟合和固有频率修正。研究结果表明，从夹片弹簧拉伸曲线上看，将其等效成线性弹簧具有一定的合理性；而在实际振动能量收集器结构中，若振动加速度相对较小，通过固有频率修正法对夹片弹簧刚度进行线性简化，其幅频响应特性与非线性模型的特性相近。该研究成果为压电振动能量收集器的动力学和机电耦合模型简化提供了理论支撑。
2019 Vol. 40 (5): 451-457 [摘要] ( 183 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 224 )
458 轴承自供能监测的径向电磁式能量俘获建模与实验研究
张颖 曹军义 朱红宇
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.024
无线网络和低功耗微电子技术的进步推动着设备健康监测技术的网联化和智能化发展。轴承作为旋转设备的关键部件，对国防、轨道交通、风电等重大装备的健康状态起到了非常重要的作用，实现轴承状态监测的微型化和自供能是装备智能化的重要技术基础。本文针对于轴承无线传感器网络的供能问题，提出了一种用于轴承自供能监测的径向电磁式旋转能量俘获建模方法，并通过引入环形Halbach永磁阵列增强了线圈中的磁场强度，提高了能量俘获系统的输出性能。基于磁荷理论和空间坐标变换给出了环形Halbach永磁阵列的径向磁场计算方法，进而利用电磁感应原理建立了电磁式旋转能量俘获系统的输出电压模型，仿真分析了不同参数对系统输出电压的影响。有限元仿真和不同转速下的实验结果验证了所建立模型预测输出电压的准确性，同时功率测试实验表明设计的俘能系统在1000rpm转速下可实现81.2mW的输出功率。
2019 Vol. 40 (5): 458-466 [摘要] ( 201 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 224 )
467 动态多稳态压电风能俘能结构设计与实验验证
周志勇 秦卫阳 朱培 邓王蒸 潘家楠 吴亦源
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.031
传统的线性颤振式风能俘能结构在变风速环境下转换效率不高。针对此问题，本文提出了一种动态多稳态颤振式压电俘能结构，可在较宽的风速范围内保持较高的电压输出。该结构由矩形平板、压电悬臂梁与3块永磁体组成，并通过磁吸力实现结构的多稳态。通过在不同风速下开展的能量转换特性实验研究，发现当风速较小时，该结构具有双稳态特性；而当风速较大时，会出现新的稳定位置，结构变为三稳态系统。这样的动态稳定位置，可以保证结构在很宽的风速范围内出现阱间跳跃，进而保持大的电能输出。实验结果表明，这种动态多稳态结构，风速在2.0m/s—7.5m/s区间变化时，能够激发并保持阱间跳跃，甚至相干共振，产生较大的电能输出。
2019 Vol. 40 (5): 467-477 [摘要] ( 198 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 238 )
478 基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统
黄曼娟 侯诚 李云飞 刘会聪 陈涛 杨湛 王凤霞 孙立宁
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.021
本文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统，由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成。在外界低频振动激励下，底部低频S形金属曲梁产生共振，在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁，从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动，解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题，同时提高能量收集的效率。本文建立了悬臂梁受迫振动和碰撞耦合振动的动力学模型，讨论了压电悬臂梁的电压输出特性。通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率，结果表明当振动加速度为1.0 g时，升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW，高于单个压电悬臂梁的最大输出功率。
2019 Vol. 40 (5): 478-487 [摘要] ( 406 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 214 )
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22 祝贺！AMSS和《固体力学学报》编委清华大学张一慧教授喜获第三届“科学探索奖”
22 祝贺！《固体力学学报》编委湖南大学姜潮教授喜获第三届“科学探索奖”
22 2020年度Acta Mechanica Solida Sinica 影响因子达到2.161
22 重要通知
22 固体力学学报2020年第2期和第3期刊出《固体材料的多尺度与多场耦合力学》专辑
22 Acta Mechanica Solida Sinica (AMSS) 入选“2019中国最具国际影响力学术期刊”
22 余寿文教授、黄玉盈教授获得AMSS特别贡献奖（Special Contribution Award）
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