【《变势能函数压电俘能器研究现状国内外文献综述》2000字】

变势能函数压电俘能器研究现状国内外文献综述利用变势能函数结构提高双稳态俘能器的俘能效率是一种解决问题新的思路。目前变势能函数结构多由磁铁-弹簧的连接体或带有磁铁的弹性梁构成，结构较为简单，通过外部磁铁的运动使系统具有变势能函数。Leng[56]等提出了一种直接激励具有弹性支撑结构的二自由度双稳态俘能器，如图1-6所示，建立了系统的集总参数模型，研究了滤波高斯噪声与粉红噪声两种随机激励下变势能函数结构与对应非变势能函数结构的俘能特性。数值与实验结果表明：当外界激励不足时，由于变势能函数结构的作用，系统依然能跨越势垒，作阱间大幅运动。非变势能函数结构只能作小幅的阱内运动，因此变势能函数结构能在更接近实际的环境中稳定俘能。图1-6具有变势能函数的双稳态模型[56]曹亚东[57]等对传统双稳态俘能器作改进，将外部磁铁与弹簧相连，研究结果同样说明了变势能函数结构能降低双稳态系统的势垒，使系统更易在两势阱间运动，提高系统输出。Zhou[58]等提出了两垂直放置的悬臂梁结构，水平梁受直接激励，与其垂直的梁中部放有磁铁，建立了系统的分布参数模型。数值与实验结果均证明了具有变势能函数结构的俘能器在运动过程中不仅系统势垒将降低，系统更易发生大幅阱间运动，且在相同时间内，将产生更加频繁地阱间跳跃。Yang[59-61]等在变势能函数结构俘能器的研究方面做了较多工作，文献[59]提出了将磁铁-弹簧放置于水平梁的上表面，弹簧末端与基座相连，通过调节弹簧刚度与磁铁质量，可以使系统产生内共振，利用多尺度法求出了频率响应。研究结果表明：由于内共振现象，频率响应曲线两端具有明显的倾斜现象，且通过改变不同的系统参数如增大磁力、减小弹簧刚度、较小初始磁铁间距等因素可以加强双稳态的影响从而使频率响应曲线倾斜度加大，使系统工作带宽进一步加大。在文献[60]中，研究了随机激励下随着激励幅值的改变，系统输出的变化。结果表明，使输出功率最大的最佳初始磁铁间距不会随着激励幅值的变化而改变。变势能函数结构除了用来收集振动能量外，还能收集风能。李魁[62]等提出了一种双稳态气动俘能装置，如图1-7所示，利用变势能函数结构降低双稳态势垒的特性，使系统更易进行阱间运动，有效拓宽了该气动俘能装置俘能时的风速范围。图1-7俘获风能的双稳态气动装置示意图[62]除了利用弹性结构引入变势能函数以外，Mei[63]等提出了等提出了一种安装在转子上的四稳态压电俘能器，如图1-8所示。转子在竖直平面内旋转，由梁末端磁铁与三块外部固定磁铁构成四稳态，在转子旋转过程中，由于重力势能发生了较大改变，因此形成了变势能函数，研究结果表明该结构能够增加俘能带宽，提高俘能效率。(a)四稳态俘能器结构示意图(b)旋转过程势能变化图1-8变势能函数四稳态压电俘能器结构[63]以上研究均为直接激励下的研究。在参数激励方面，对未屈曲的压电梁如何发生参数共振的研究较多，对双稳态俘能器的研究主要集中在屈曲梁方面。Li[64]等提出了利用磁斥力构造梁的屈曲状态，如图1-9所示，利用Melnikov方法研究了系统发生“跳跃”现象与同宿分岔时的参数条件。结果表明：磁铁间距与末端质量对系统能否发生混沌运动与阱间运动有重要影响。Zhu[65]等也研究了引入磁力使梁屈曲后的俘能特性，分析了激励幅值，质量块质量，阻尼对系统等参数对工作带宽与输出电压的影响。结果表明：由于非线性磁力的影响，频率响应曲线表现出“软化现象”，增大了系统的工作带宽。图1-9参数激励磁致屈曲压电俘能器[64]从上述研究现状可看出：在直接激励条件下，尽管双稳态俘能器受到不同类型外激励时会表现出不同的动力学特性，但是无论是在简谐下，还是在随机激励下，变势能函数结构都具有降低双稳态俘能器势垒的作用，使双稳态系统更易实现阱间运动。然而，目前在参数激励下，变势能函数双稳态俘能器的研究却未见公开发表。因此，研究参数激励下具有变势能函数双稳态压电俘能器受不同类型外激励时的特性有着重要意义。参考文献Xie,X.D.,Wu,N.,Yuen,K.V.,etal.Energyharvestingfromhigh-risebuildingsbyapiezoelectriccoupledcantileverwithaproofmass[J].InternationalJournalofEngineeringScience,2013,72:98–106.Xie,X.,Wang,Q..Amathematicalmodelforpiezoelectricringenergyharvestingtechnologyfromvehicletires[J].InternationalJournalofEngineeringScience,2015,94:113–127.Wang,K.F.,Wang,B.L..Non-linearflexoelectricityinenergyharvesting[J].InternationalJournalofEngineeringScience,2017,116:88–103.Paradiso,J.A.,Starner,T..Energyscavengingformobileandwirelesselectronics[J].IEEEPervasiveComputing,2005,4:18–27.Janav,P.,Udani,Andres,F.A..Sustaininghigh-energyorbitsofbi-stableenergyharvestersbyattractorselection[J].AppliedPhysics.2017,111:213901.Wang,H.Y.,Tang,L.H..Modelingandexperimentofbi-stabletwo-degeree-of-freedomenergyharvesterwithmagneticcoupling[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,2017,86:29-39.Tang,L.H.,Yang,Y.W.,Soh,C.K..Towardbroadbandvibration-basedenergyharvesting[J].SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,2010,18(21):1867-1897.Liu,C.,Jing,X.J..Nonlinearvibrationenergyharvestingwithadjustablestiffness,dampingandinertia[J].Nonlineardynamics,2017,1(88):79-95.Ngan,T.,Mergen,H.,etal.Ambientvibrationenergyharvesters:Areviewonnonlineartechniquesforperformanceenhancement[J].InternationalJournalofEngineeringScience,2018:162–185.Xiong,L.Y.,Tang,L.H.,Mace,B.R..Internalresonancewithcommensurabilityinducedbyanauxiliaryoscillatorforbroadbandenergyharvesting[J].AppliedPhysicsLetters,2016,108:203901.Xie,Z.,Wang,T.,Kwuimy,C.K.,etal.Design,analysisandexperimentalstudyofaT-shapedpiezoelectricenergyharvesterwithinternalresonance[J].

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