准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电,是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题.将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案.但是,环境振动中低频成分占比较大,而传统振动能量采集方法较难实现低频(<10 Hz)振动能量的高效转化,这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用.文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置,可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能.首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程,并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式,同时对比了数值解与解析表达式的结果;进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响.最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机,搭建了实验平台,测试了系统的动力学响应与电学输出,验证了理论结果的正确性.研究结果显示当频率为2.5 Hz时,准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V.文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量采集器需要跨越势垒而难以实现超低频小幅值能量俘获的难题,进一步夯实振动能量采集理论,为超低频小振幅振动能量的高效采集提供新思路.

含凸轮-滚轮机构的准零刚度系统隔振特性实验研究

提出了一类含凸轮-滚轮机构的准零刚度隔振器,进行了静力学分析,给出了具有分段非线性的回复力;建立了隔振系统的运动方程,并利用谐波平衡法得到了主共振响应的一次近似解析解,给出了凸轮-滚轮保持接触的参数条件,并分析了保持接触情况下的力传递率;最后,对准零刚度隔振系统进行了激振实验分析,测定了不同工况下的力传递率,并与相应的线性系统进行了对比。结果表明:通过引入凸轮-滚轮负刚度机构,有效降低了起始隔振频率,抑制了共振,提高了隔振效果,因此,该准零刚度隔振器具有良好的低频隔振性能;在凸轮-滚轮保持接触的前提下,激励幅值越大,负刚度机构越易发挥作用,隔振效果更显著。

夹层圆柱壳在移动内压作用下的临界速度研究

基于夹层壳理论和三维弹性动力学理论,研究了无限长夹层圆柱壳在移动内压作用下的临界速度.首先,基于夹层壳理论,考虑夹芯的压缩和剪切变形以及面板的剪切变形,研究了轴对称简谐波在无限长夹层圆柱壳中的传播问题;其次,基于三维弹性动力学理论,将位移变量用Leg-endre正交多项式系表示,同时引入位置相关函数,将求解导波问题化为简单的特征值问题.利用这两种方法得到了最低模态的频散曲线,最小相速便是内压移动的临界速度.最后,用算例和数值模拟来验证方法的有效性.结果表明,两种理论得到临界速度吻合得较好;当波数较小时,两种理论得到的频散曲线吻合得很好,当k→∞时,夹层壳理论和弹性动力学理论得到的极限相速分别趋于面板和夹芯的剪切波波速.波数较小时,两种理论分析夹层圆柱壳的导波问题是有效的.数值模拟预测的临界速度与理论分析的结果吻合得很好.

类桁架夹层板的等效弹性常数研究

从应变能等效出发,将具有周期性分布的夹层板的类桁架夹芯与各向异性连续材料等效,给出了相应的宏观等效弹性常数,进而用有限元方法计算了实际夹层板和等效夹层板的结构响应,用一个算例证明了该文方法的有效性.通过对类桁架夹芯的等效弹性常数的计算,结果表明该文方法可以得到较为准确的等效弹性常数,且较其它类型的均匀化方法大大降低了计算量.

基于最优时延反馈控制的主-被动非线性隔振方法研究

非线性隔振系统的有效隔振频率区间要求越过跳跃区间,大于向下跳跃频率。然而,在跳跃区间内,当系统响应振幅位于幅频曲线的非共振支上时,系统具有隔振效果,问题在于如何将振幅保持在非共振支上。当初始条件或激励频率变化使系统响应幅值位于共振支时,提出利用最优时延反馈控制将幅值从共振支切换至非共振支。时延反馈控制虽然使系统处于混沌状态,但振幅得到了充分降低。待混沌状态稳定,且系统状态位于趋向于非共振支的流域中时,撤除反馈控制,系统将恢复简谐振动且振幅最终落在非共振支上,实现了在跳跃区间内的有效隔振,从而拓宽了非线性隔振的频率区间。通过数值仿真计算,验证了本方法的有效性;同时,也证实了基于最优时延反馈控制和准零刚度的非线性隔振系统适用于低频隔振。

一种针对未知参数系统的实时混沌化方法

针对未知参数系统,提出一种基于频谱优化和时延反馈控制的实时混沌化方法。首先,基于系统稳态响应构造频谱性能指标,量化系统稳态行为(周期或混沌等);然后,随着时间进程的推进,按照直接寻优算法(Hooke-Jeeves方法)实时调整反馈控制器的时延,直至算法收敛。当性能指标达到最小值时,系统进入最佳混沌状态。数值算例验证了本方法的有效性。该方法最大优点在于无需知道系统参数,仅基于系统响应状态便可实施混沌化控制,易于实现工程化应用。

单层准零刚度浮筏隔振特性分析及混沌化

将准零刚度隔振器应用于船舶机械隔振浮筏,构造单层准零刚度隔振浮筏,建立了系统的6自由度动力学方程,利用数值方法对系统响应进行了分析,并评估了系统的隔振性能。结果表明,当激励幅值较大时,因系统刚度具有非线性,导致力传递率曲线出现跳跃现象,准零刚度隔振浮筏系统的起始频率远低于线性浮筏系统,且隔振效率远高于线性系统。进一步,利用最优时延反馈控制方法对浮筏系统实施了混沌化,对于不同激励频率均可实现混沌化,且激励频率越高越易混沌化。

受压夹层板的失效模式分析及优化设计

以减轻重量为目标,以不出现各种失效模式为约束条件,应用序列二次规划法对受压夹层板的尺寸以及金属泡沫的相对密度进行了优化设计。考虑了剪切对屈曲的影响和金属泡沫弹性模量与相对密度之间的非线性关系,对金属泡沫和波纹夹层板的失效模式进行分析。同时设计两种截面形状,得到具有更高承载能力的夹层板。最后对各种截面形状夹层板的承载能力进行比较。结果表明:通过优化截面尺寸和金属泡沫的相对密度可以提高夹层板的承载能力;对于受压金属泡沫夹层板最优相对密度为0.03689;对于波纹夹层板更优的截面是改进后的帽形加筋板的截面。

夹层梁低速冲击下的接触定律与结构响应

在考虑面板面内拉伸刚度等非线性因素的基础上,将夹层梁上面板视为弹塑性地基上的梁,由其平衡方程推导准静态压入接触定律.进而研究了底面固定于刚性平面的夹层梁的低速冲击响应,验证了所推导的准静态压入接触定律在低速冲击下依然足够精确.最后,用能量守恒模型,离散模型和连续模型分析了两端简支夹层梁的低速冲击响应以及接触持续时间.同时讨论了冲头与夹层梁质量比和初速度对结构响应以及分析模型适用性的影响.理论分析结果与数值模拟结果比较表明:推导的接触定律是准确有效的.给定初速度,质量比很小时,只有连续模型有效,而当质量比较大时3种模型均有效;给定质量,初速度较大时只有连续模型比较有效.连续模型预测的接触持续时间与初速度无关.

一种准零刚度隔振器的特性分析与实验研究

将五个线性弹簧并联组合,设计出一种具有高静态刚度、低动态刚度的非线性低频隔振器。分析了系统的刚度特性,给出了系统的准零刚度(QZS)条件。利用谐波平衡法分析了系统的动力学特性,得出了系统的力传递率,并分析了阻尼及激励力对系统传递率的影响。为了验证QZS系统的隔振性能,进行了一系列的实验研究。实验结果表明,QZS隔振器的低频隔振性能明显优于相应的线性系统。

气动可调式准零刚度隔振器设计及特性分析

针对承载质量的变化会影响隔振器性能的问题,设计了具有准零刚度特性的可调式非线性气动隔振器.该准零刚度隔振器由一个竖直的双气室可调式气动弹簧和4个对称初始水平放置的单气室可调式气动弹簧组合而成.分析了气动可调式准零刚度隔振系统的设计参数之间应满足的关系.当承载质量改变时,通过调节气压来保持静平衡位置处的准零刚度特性.利用谐波平衡法对系统进行振动分析,得到了系统的力传递率,并对其隔振性能进行了评估.结果表明,系统具有良好的低频隔振性能,优于相应的线性系统.

碟形橡胶准零刚度隔振器的设计和特性分析

设计了具有准零刚度(QZS)特性的碟形橡胶隔振器,并分析了其隔振特性.隔振器由负刚度元件碟形橡胶(内含钢材料的筋)与正刚度元件竖直橡胶柱并联组装而成.基于Abaqus有限元仿真分析,给出了隔振器在静平衡位置处出现零刚度时,碟形橡胶元件和竖直橡胶元件分别需要满足的构型和尺寸参数条件,得到了隔振器的回复力曲线,并用仅含三次的多项式进行了拟合.进一步,建立隔振系统动力学方程,基于谐波平衡法分析了系统的隔振特性,并与Abaqus动力学仿真分析进行对比,结果表明,碟形橡胶准零系统隔振性能明显优于相应的线性系统.

准零刚度隔振系统跳跃频率区间隔振研究

基于跳跃频率区间内准零刚度隔振系统的隔振效果具有不确定性的问题,提出了一种阻尼扰动控制方法。当控制系统阻尼增大到一定程度时,向下跳跃频率将低于激振频率,在原共振支上的大幅振动响应便会失稳并跌落到低幅振动的非共振支上,在此过程中借助范德波尔平面来判断何时撤除阻尼控制,从而实现了跳跃频率区间内的有效隔振,拓宽了准零刚度隔振系统的有效隔振频率区间。

重型矿用自卸车油气悬架参数优化

讨论了某360 t矿用自卸车单气室油气悬架的优化设计。参考传统的车辆动力学模型,考虑了轮胎阻尼和油气悬架非线性特征,建立了更符合工程实际的矿用自卸车五自由度数学模型。以随机输入和脉冲输入为加载条件,构建了随机输入条件下车身垂向加速度均方根值为目标函数的优化模型。分析了前、后油气悬架刚度和阻尼性能对车身和人体振动响应的主要影响。最后,采用遗传算法对油气悬架主要参数进行了优化设计。优化结果表明:车身垂直加速度均方根值下降25.6%,满足标准ISO2631对两种路面输入的平顺性要求。

非线性隔振系统动力学特性分析的FFT多谐波平衡法

鉴于非线性隔振系统响应的多谐波特性,单一谐波平衡法不能广泛适用于系统隔振性能评估。本文提出基于主导频率及多谐波的FFT多谐波平衡法,针对隔振系统的阶跃响应多解特性,倍周期和拟周期响应特性做了深入探讨。据此这些特性对非线性隔振传递率定义做了修正。达芬系统算例表明,采用改进方法求解的非线性运动响应及隔振传递率的准确率显著提高。此方法广泛适用于具有定常响应的非线性动力系统,为非线性系统隔振的理论分析提供有效工具。

滚球型准零刚度隔振器的特性分析

针对工程实践中的低频隔振难题,提出一种紧凑的、带滚球装置的准零刚度隔振器。首先,对隔振器进行了静力学分析,得到了实现准零刚度的参数条件;其次,建立了隔振系统动力学模型,利用谐波平衡法分析了系统频响特性及隔振性能,讨论了激励幅值和阻尼对响应的影响;最后,利用ADAMS对系统动力学特性进行仿真及隔振效果评估。结果表明,与相应的线性隔振系统相比,准零刚度隔振器的起始隔振频率显著降低,且在低频范围内力传递率比线性系统低得多。因此,滚球装置提供的负刚度明显降低了系统竖向总刚度,使系统具有优异的低频隔振性能,更重要的是紧凑的设计使其更易工程化。

一类准零刚度隔振器的分段非线性动力学特性研究

建立了一类带有滚轮装置的准零刚度隔振系统的分段非线性动力学模型,利用平均法对系统在基础激励下的动力学特性进行了理论分析,得到了系统主共振响应的一次近似解析解.利用数值方法对动力学方程求解,验证了平均法求解此类分段非线性动力学问题的有效性.进一步,讨论了激励幅值、阻尼对系统响应的影响,利用位移传递率评估了隔振系统的隔振性能.结果表明,激励幅值和阻尼对系统响应具有显著影响:激励幅值较小时,该准零刚度隔振系统的隔振性能明显优于相应的线性系统;而随激励幅值增大时,其隔振性能变差,但最多与线性系统相当,而不会变得更差,此特征优于传统准零刚度隔振系统.

低频弹性波超材料的若干进展

超材料是一类新兴的具有超常物理性质的人造周期/拟周期材料,能够改变电磁波、声波以及弹性波等在介质中的传播特性.因在航天、国防以及民用科学等方面的巨大应用潜力,超材料自被提出后便受到极大的关注并引发研究热潮.弹性波超材料是超材料的一种,能够基于弹性波与超材料结构的相互耦合作用实现对弹性波的操控.带隙是评估弹性波超材料实现弹性波操控的重要工具,其性质与超材料的材料参数、晶格常数以及局域振子的固有频率相关.受制于超材料的承载能力、外观尺寸以及局域振子结构等因素,利用传统超材料开启低频(约100 Hz)弹性波带隙依然存在较大困难.文章首先简要介绍超材料开启弹性波带隙的基本原理,然后从低频弹性波超材料基本结构与低频带隙实现方法、低频带隙优化与调控策略、低频带隙潜在应用等三个方面详细总结低频弹性波超材料的研究工作.其中,低频带隙超材料的基本结构主要包括布拉格散射型超材料、传统局域共振型超材料以及准零刚度局域共振超材料.文章通过总结低频弹性波超材料的研究进展,分析了目前研究中的不足并对未来低频弹性波的研究方向进行了展望.

屈曲板型准零刚度隔振器的设计和特性分析

设计一款屈曲板型准零刚度隔振器,该隔振器由竖直的橡胶垫和屈曲的弹簧钢板组合而成.为便于分析该隔振器的刚度特性,基于Abaqus软件分析和Matlab拟合给出力与位移的近似表达式.通过理论分析,给出该系统出现准零刚度时,竖直橡胶垫需满足的刚度条件.依据谐波平衡法研究了阻尼对系统动力学特性的影响,得到了系统的力传递率,并对其隔振性能进行了评估.结果表明,屈曲板型准零刚度隔振器能够显著提高低频段的隔振效率;在适当的阻尼情况下,该准零刚度隔振系统没有共振问题.

第十一届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛命题和竞赛总结

对第十一届全国周培源大学生力学竞赛"理论设计与操作"团体赛的命题思路、竞赛过程进行了总结,并提出了相关的建议。