磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器发电性能试验研究

针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:存在最优电阻使压电俘能系统的输出功率最大;对比无磁力系统,磁力耦合的I-L组合压电梁俘能器共振频率发生了明显的偏移:I型压电梁向左偏移,L型压电梁向右偏移,拓宽了系统的俘能频带;当激励加速度为0.2 g水平距离为20 mm、激振频率为18.4 Hz时,俘能器最大可得到1.2 mW的输出功率。

考虑驱动线圈位移变化的电动振动台非线性电磁力建模与分析

该文在二维平面直角坐标系内建立电动振动台的精确子域解析模型,求解区域划分为励磁线圈区域、驱动线圈区域和气隙区域,并采用基于傅里叶理论的通用公式给出各子域的磁感应强度通解,通过各子域之间的边界条件确定通解中的未知系数,从而实现电动振动台的磁场解析。以某一大型电动振动台为例,将气隙磁通密度解析计算结果与二维有限元结果相比较,验证了解析模型的准确性。最后,在静态磁场解析结果基础上,考虑驱动线圈位移变化,利用电磁力求解公式计算得出驱动线圈随位移变化的非线性分布的电磁力。通过分析得出,负载磁场对原励磁磁场的影响使得气隙中磁通密度分布的不均匀性加剧,从而导致驱动线圈在运动过程中受到非线性的电磁力。

低速异步电动机由非线性电磁力激发的参数共振

该文建立了多极低速异步电动机转子的非线性振动方程与稳态三相不对称电路方程相联系的数学系统,得到了一次渐近近似解.计算了转子参数共振的幅频特性、通过参数共振区的过渡过程及起振过程曲线.进行了全面的振动实验研究,理论结果和实验结果相吻合.揭示了存在这种振动的客观规律.

非线性电磁力作用下的转子不平衡响应和界限碰摩转速

对于电磁轴承支撑的转子系统 ,其动力学性能在很大程度上受到各种非线性因素的制约 ,如力与位移间的强非线性关系、有限的控制电流等。这些因素的近似线性化虽然简化了分析过程 ,但所得结果可能与工程实际偏离较大。本文讨论了由于电磁力和功放输出电流的非线性特性给转子系统的不平衡响应造成的影响 ,即转子的碰摩 ,并定义了系统的界限碰摩转速 ,给出了数值仿真结果 。

基于LabVIEW的非线性电磁力混沌实验仪的虚拟仪器设计

文章依据非线性动力学混沌理论,设计了非线性电磁力振动装置,并以此为基础,利用LabVIEW开发平台进行了虚拟仪器(virtual instrumentation,VI)设计。该虚拟仪器系统能对振动信号自动采集、实时处理、生成振动波形图和相图,可以直观观察混沌现象并可做定量研究。此外,系统还增加了理论计算模块,实验测量可与理论计算的波形图像进行对比。

非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究

为了提高线性压电振动能量采集器的输出特性,在线性压电振动能量采集器悬臂梁末端引入Duffing非线性磁力,构造了一种双稳态非线性压电振动能量采集器;综合考虑能量采集器的动态振型与轴向应变分布情况,建立了系统非线性机电耦合集总参数运动控制模型,并利用4阶、5阶Runge-Kutta算法对能量采集器的非线性振动特性进行了数值模拟;利用谐波平衡法计算获得了能量采集器的幅频响应方程,数值分析了激励频率、激励幅值以及磁铁间距等对系统非线性振动特性的影响,发现双稳态运动可以极大地提高能量采集器的频率响应范围和能量采集效率,并且能量采集器在低频、低幅值激励情况下可以产生大幅值周期运动;最后,通过实验对数值计算结果进行了验证。

多稳态压电振动能量采集器的非线性动力学特性及其实验研究

为了提高非线性双稳态压电振动能量采集器的输出性能,提出了一种基于磁⁃机⁃压电耦合的非线性多稳态振动能量采集器,通过在双稳态压电振动能量采集器模型基础上增加一对外部磁铁,构造了具有四个稳态的非线性压电振动能量采集器。利用磁偶极子理论建立了采集器悬臂梁末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型;利用Hamilton原理和Raleigh⁃Ritz方法建立了四稳态压电振动能量采集系统的分布参数机电耦合动力学模型;仿真分析了磁铁水平间距和外部磁铁间距等参数对系统非线性磁力、非线性分岔特性和动力学特性的影响。制作了四稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了样机性能测试平台,实验结果与仿真结果具有较好的吻合度。研究结果表明四稳态压电振动能量采集器可以在低激励水平作用下显著提高能量收集效率,且具有较宽的工作频带。

磁力系统中磁振子频梳的产生与调控

磁振子频梳包含一系列离散的、等间距的频率成分,在高精密频率测量方面有重要的应用。本文研究了磁力系统中磁振子频梳的产生和调控,利用龙格-库塔法数值求解系统的海森堡-朗之万方程得到系统的动力学演化,然后做快速傅里叶变换,得到磁振子的频谱图。研究发现在较强的驱动下,磁致伸缩效应诱导的磁力非线性会导致频谱图中出现二阶、三阶甚至更高阶边带的频率成分。微波驱动强度增大时,高阶边带频谱的阶数会增多,同时各阶边带振幅会变大,平台区也会随着驱动的增加而变宽。研究结果有助于理解非线性磁振子动力学,并且提供了一个实现微波频率精密测量的方案。

非线性力支承下的磁悬浮转子陀螺效应解耦控制

电磁轴承非线性力支承的飞轮转子各自由度之间产生的强耦合,影响轴承转子系统稳定性。为此建立了径向四自由度的非线性电磁力-刚性转子动力学模型。在此基础上,提出了一种自适应径向基神经网络和滑模控制结合的算法(Adaptive RBFNN&SMC)。基于RBFNN对非线性电磁力和陀螺效应进行整体补偿,应用双曲正切函数作为滑模鲁棒项,对滑模控制进行改进,改善了滑模算法的抖振、抑制了质量不平衡扰动和随机扰动。根据Lyapunov稳定性理论证明了系统的渐进稳定性。最后通过仿真将提出的算法与PID算法和α阶逆系统算法对比,结果表明该算法能有效补偿非线性力、解耦系统和改善抖振问题,同时对于外界扰动具有良好的抑制效果。

一种可调谐非线性磁式压电能量采集器

为拓宽压电能量采集器的有效频带,通过在附有末端磁铁的压电悬臂梁上增加一对移动磁铁,设计了一种频率可调、单-双稳态模式可快速切换的非线性磁式压电能量采集器。首先,对采集器进行分布参数动力学分析,基于Euler-Bernoulli理论推导了系统动力学方程,根据Lagrange函数分析系统动能、势能和电能表达式,利用磁偶极子模型得到系统的磁力表达式,通过Galerkin离散方法和泰勒展开得到系统的一阶降阶模型,利用谐波平衡法得到方程的解析表达式。随后,利用仿真软件分别对采集器的单-双稳态特性进行研究,分析了磁铁间距、阻尼、负载等参数对系统输出电压和功率的影响,并通过实验进行验证。实验结果表明:通过移动磁铁引进的非线性磁力有效增加了采集器的输出电压和输出功率;通过改变磁铁间距改变能量采集器的谐振频率,较好地拓宽了采集器的工作频带;系统可通过调节磁铁间距实现单稳态模式与双稳态模式之间的切换,能够分别利用单稳态模式和双稳态模式收集高频和低频环境下的振动能量。

基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动能量俘获机理与动力学特性研究

提出一种基于线性放大与非线性磁力复合增强的三稳态压电振动俘能器,实现在宽频范围内有效地采集低能轨道振动能量。将质量块和弹簧组成的线性放大机构置于三稳态压电俘能器与基座之间,调节线性放大机构与俘能器之间的质量比和刚度比,使三稳态俘能器获得较大的输入动能从低能轨道运动跳转到高能轨道运动,从而获得更高的输出性能和更宽的工作频带。利用能量法建立了描述该复合压电振动俘能器系统动态响应的非线性机电耦合数学模型;采用动态分岔图仿真研究了系统质量比和刚度比对压电俘能器动态输出性能的影响及其能量俘获机理。实验验证了理论结果的正确性。研究结果表明:合理调节系统质量比和刚度比,复合俘能器可以在低能轨道振动时获得更宽的工作频带和更高的发电能力。与传统刚性基座三稳态压电俘能器相比,实验获得复合压电俘能器的阱间运动频率范围由3~14 Hz扩大到2~21.5 Hz,从低能轨道振动跳转到高能轨道振动所需的激励加速度由13.5 m/s^(2)降至5.8 m/s^(2)。

三磁铁磁性动力吸振器的宽频减振研究

提出一种可实现宽频减振的新型三磁铁磁性动力吸振器(TMDVA),该吸振器仅由三块圆柱形永磁铁和一个减振管组成。分析了该吸振器的非线性磁力特征,阐述了磁铁间距对磁力刚度的影响规律。以理想悬臂梁为减振对象建立了磁性吸振器-悬臂梁减振系统动力学模型,从瞬态动力学和能量角度揭示了吸振器对共振频率不同梁的宽频减振机制。研究表明,该吸振器可以有效实现宽频减振,调节磁铁间距可以优化吸振器的宽频减振效果。对于共振频率不同的梁,吸振器最优减振效果对应的磁铁间距与梁共振频率近似呈现线性关系,这为该吸振器的设计优化提供了便利。

磁浮轴承转子系统的稳定性研究

针对非线性磁浮轴承转子系统的具体特点,用数值积分和庞加莱映射方法对刚性磁浮轴承转子系统进行稳定性研究,得到了系统在某些参数域中的时域波形、频谱图、相图、轴心轨迹以及庞加莱映射图,并给出了系统产生混沌运动诱发失稳的参数域。为更好控制磁浮轴承转子系统运行状态提供理论参考。

线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路.通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律.利用磁偶极子法建立磁力模型,通过实验测量线形-拱形组合梁的恢复力,并采用多项式拟合得到恢复力模型,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型,从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律.研制线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究,通过采集组合梁末端响应速度数据,验证了理论分析的正确性.研究表明:引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱,激励一定时,调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动,且在三稳态运动时响应位移较大,增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应.研究为线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导.

电弹性和磁弹性相互作用的非线性理论

本书详细阐述了能够产生大弹性形变软材料的非线性电磁力相互作用的统一理论。作者10多年前第一次对力学形变和磁场、电场之间的作用发生兴趣。这种兴趣部分源自受到电场或磁场作用能够发生大形变的弹性材料的蓬勃发展，这些材料已经开始应用于从激励器和传感器到振动与阻尼控制器等各种设备上，而模拟这样一些材料的行为需要一种适用的非线性形变理论，它们应能容纳在本构描述（constitutive description）中的包含电场或磁场的作用。

驰振和基振复合作用下的双稳态能量采集系统动力学分析

为提高驰振能量采集系统在低风速下的能量采集效率,提出了一种新型宽频能量采集系统,该系统不仅通过磁力耦合引入非线性刚度,还考虑了流体激励和基础激励的复合作用.首先,通过能量法、Kirchhoff定律和准稳态假设得到能量采集系统的流-固-磁-电多物理场耦合振动控制方程.其次,通过Runge-Kutta数值方法对系统进行数值模拟确定合理的模型参数.结果表明:系统在共振频域中,基础激励起主导作用,在非共振频域中驰振的影响更为明显,而引入磁力耦合拓宽了原有系统在共振频域大幅响应的带宽,提高了系统在非共振频域的响应和能量采集效率.

三稳态压电振动能量采集器的动力学建模、仿真与实验研究

为探究磁-机-压电耦合型三稳态压电能量采集器的非线性动力学行为,利用磁偶极子点荷方法计算得到了能量采集器末端受到的非线性磁力,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立了三稳态压电振动能量采集器的分布参数机电耦合动力学模型,仿真分析了系统参数(d、dg)对能量采集器的势能、磁力以及非线性动力学输出特性的影响。研制了磁-机-压电耦合型三稳态振动能量采集器原理样机,搭建了样机实验平台,实验验证了理论模型与仿真结果的正确性。研究结果表明:适当调整d和dg可使压电振动能量采集器分别作单稳态、双稳态和三稳态运动,其中三稳态运动存在3个势能阱,势能阱的深度和宽度均小于双稳态压电振动能量采集器的势能阱深度和宽度,这有利于提升振动能量采集器的工作频带和采集输出效率。

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5~22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。

非对称、变势能阱三稳态压电振动能量采集器特性研究

为了提升压电振动能量采集器的综合输出性能,提出了一种具有非对称、变势能阱的三稳态压电振动能量采集器,它由一个末端带磁铁的压电悬臂梁以及一对可随弹簧拉伸和压缩而变动的外部磁铁构成。外部磁铁固定在水平弹簧自由端并与基座相连,且能够随着弹簧压缩和拉伸发生水平移动和转动,从而使系统产生非对称且随时间变化的势能阱。基于点磁荷法和拉格朗日函数,建立了压电振动能量采集系统的非线性磁力模型和分布参数动力学模型;仿真分析了磁铁间距离以及加速度和弹簧刚度等参数对系统势能及其动力学响应特性的影响规律。研究结果表明:弹簧拉压是产生非对称、变势能阱的主要因素;弹簧刚度使非对称势能阱的深度变浅,使采集器更易进入大幅阱间振动状态;随着弹簧刚度的增大,采集器输出电压随之先增大后减小。在低激励振幅下,非对称、变势阱能量采集器比传统对称势阱采集器有更广的频带宽度和更高的采集效率。

Nonlinear dynamic characteristics of magneto-rheological visco-elastomers

The smart magneto-rheological visco-elastomer (MRVE) has a promising application to vibration control.Its dynamic characteristics are described by complex moduli which are applicable to linear dynamics.However,experimental results show remarkable nonlinear relations between force and deformation for certain large deformations,and the nonlinear dynamic modeling needs to be developed.The present study focuses on the nonlinear dynamic characteristics of MRVE.The MRVE was fabricated and specimens were tested to show nonlinear mechanical properties and dynamic behaviors.The nonlinear effect induced by applied magnetic fields was investigated.A phenomenological model for the dynamic behaviors of MRVE was proposed to describe the nonlinear elasticity,linear damping and hysteretic effect,and the corresponding equivalent linear model in the frequency domain was also given for small deformations.The proposed model is applicable to the dynamics and control analysis of composite structures with MRVE.