【《压电俘能器研究现状国内外文献综述》3100字】

压电俘能器研究现状国内外文献综述压电俘能器的主要问题之一是它们的有效工作带宽，传统线性俘能器只在共振频率附近有效工作，带宽窄，当外界振动频率发生改变时，系统的输出功率将会大大减少，最直接的解决方法为采用阵列式[7]或者调谐法[8]来提高俘能效率，但这类线性方法拥有结构复杂、调谐方式繁琐等缺点。非线性方法相较于线性方法一般能得到更理想的结果，尤其是在大振幅振动环境下[9]。目前有较多引入非线性的方法，包括内共振[10-14]、碰撞[15-20]、非线性磁力[21-23]、机械非线性[24-26]等，同时又可根据非线性俘能器的势能函数形状，将压电俘能器分为单稳态、双稳态、多稳态俘能器等。非线性单稳态俘能器的动力学方程中一般具有立方刚度项，使其能在稳态定频谐波激励下相较线性俘能器拥有更大带宽，Stanton[27]等研究了具有时变频率的激励源下，单稳态俘能器的频响曲线出现弯曲将有效拓展带宽。Fan[28]等提出了一种利用磁吸力且带有阻隔器的单稳态俘能器。研究结果表明：磁吸力将使系统的频响曲线向左移动，使其能在更低频环境俘能，且相较线性俘能器而言具有更大的输出电压。Daqaq[29]和Barton[30]等的研究表明：在随机的色噪声激励下，单稳态俘能器的非线性将对俘能器的平均输出功率产生不利影响。总的来说，在直接激励下，单稳态俘能器无需跨过势垒，因此在较低激励幅值下也能工作，但系统的带宽与输出较小。而在参数激励下，对单稳态压电俘能器的研究主要为如何发生参数共振。Daqaq[31]等建立了参数激励下俘能器的集总参数模型，他们所用实验装置如图1-1所示。利用多尺度法求出动态响应、输出电压、功率的解析表达式，进而研究机电耦合系数与外界负载对输出功率的影响。研究表明：若需系统保持较高输出，激励水平须达到阈值。Abdelkef[32]等考虑了几何、压电、惯性以及阻尼非线性的分布参数模型，分析了压电系数、二次阻尼与激励幅值对俘能特性的影响。Mam[33]等比较了直接激励与参数激励的输出，实验结果表明当激励水平足够时，参数激励俘能优于直接激励。然而，这些研究工作大多只研究了参数激励下俘能器响应的解析解，并未提出如何有效的降低参数共振的激励阈值。图1-1参数激励压电俘能器结构示意图[31]在其他人的研究工作中提出了一些降低激励阈值的措施。目前多采用构建二自由度俘能器来降低激励阈值，将其中一个自由度作为初始弹簧，放大基础激励，为另一自由度发生参数共振提供能量。Jia[34,35]等人提出在两端固支的水平梁中间添加一竖直梁，构造二自由度压电俘能器，将固支梁作为放大基座激励的弹簧，以此降低激励阈值。研究表明：当水平梁固有频率是竖直梁两倍时，系统发生自参数共振，阈值大大降低，俘能效率也有很大提高。Yan[36,37]等进行了更为深入的理论分析，推导了俘能器的分布参数模型，并分析系统俘能特性及响应。Tan[38]等调整系统参数，进一步优化俘能器，使其能控制主结构并在共振处俘获大量电能。Yang[39]等设计了一种磁耦合的二自由度参数激励俘能器，建立了系统的集总参数模型，利用多尺度摄动法求出近似解析解，分析了参数对系统俘能特性的影响，以及系统稳定性的影响。最后研究结果表明该俘能器在较低激励水平也能产生较宽的频率响应，且由于结合了直接激励与参数激励，输出电压也相对增大，有效提高俘能效率。Mergan[40]等提出了在参数激励下带阻隔器的双晶压电俘能器，水平梁末端附有一圆柱形质量块，结果表明在参数激励条件下，由于碰撞的引入，在两种实验情况下俘能器工作带宽增加了8-9倍。Yildirim[41]等设计一种参数激励压电俘能器阵列，该俘能器是由4个含有末端质量的压电悬臂梁组成，通过耦合阵列结构、参数激励、几何非线性以及适当选择梁的结构和末端质量，相比于单梁压电俘能器，俘能带宽从0.8Hz增加到了3.2Hz。图1-2磁引力构造双稳态俘能器[43]关于双稳态压电俘能器的研究，目前研究比较多的是直接激励下的双稳态压电俘能器。构造双稳态压电俘能器最主要的方式是采用磁铁间的磁斥力，除此之外也可通过多块磁铁间的磁引力或者施加轴向载荷使梁屈曲、增加线性与非线性弹簧等机械诱导方式构造[42]。Erturk[43]等最早将磁引力构造的双稳态结构引入压电俘能领域，如图1-2所示，他们推导了该双稳态系统的机电耦合方程。研究表明：双稳态俘能器在外界激励频率较低时也能发生阱间运动，且响应带宽较大，双稳态系统输出与传统的线性系统输出及单稳态系统输出相比有了很大提升。由于双稳态俘能器具有一定的优越性，随后，对双稳态压电俘能器的研究也越来越多。双稳态俘能器在谐波激励或随机激励下会表现出不同的动态响应，Inman[44]等研究了激励为简谐激励时俘能系统的动力学特性，研究表明双稳态俘能器的工作带宽更大，且进行阱间运动时系统输出更高。Stanton[45-47]等对典型的悬臂梁末端带磁铁的双稳态压电俘能器进行了研究，如图1-3所示。通过建立系统模型并利用谐波平衡法、Melnikov方法对系统方程进行求解，得到了系统动态响应的解析解，分析了系统在阱内、阱间运动的原理，得到了双稳态系统发生分岔与混沌的参数条件。孙舒、曹树谦[48-49]等分析了两永磁铁间的磁力模型，并推导出双稳态系统的集总参数模型，同样利用谐波平衡法对系统响应进行分析。研究结果表明：双稳态系统在较大频率范围内均能发生阱间的周期运动或者混沌运动。Cotton[50]等研究了双稳态俘能器在随机激励下的响应，研究表明：磁铁间距对该系统的输出影响较大，且系统在发生阱间的随机跳跃时系统输出较高。Lin[51]等研究了粉噪声下的双稳态系统输出，结果表明：阱间跳跃运动可以提升系统的振幅，进而提高了俘能系统的输出电压。Litak[52]等的研究则指出双稳态系统在随机激励下存在一个临界激励强度使双稳态系统能够实现从阱内运动到阱间运动的转变。图1-3磁斥力构造的典型双稳态俘能器[45]根据已有研究来看，双稳态俘能器相较于线性俘能器、单稳态俘能器，其明显优点在于其响应带宽大，阱间运动时系统动态响应大。但双稳态系统要实现阱间运动，需激励强度足够大。为了解决这个问题，提高双稳态俘能器的俘能效率，学者们提出了不同方法。张宇[53]等提出了在双稳态俘能器与振动台之间安置弹性放大器，如图1-4所示。研究结果表明：该装置能通过弹性放大器放大外界激励，使双稳态系统能在较低外激励水平作阱间运动。蓝春波[54]等为双稳态俘能器增加了碰撞装置，如图1-5所示。他们研究了简谐激励与随机激励下系统的响应。结果表明：适当的碰撞间隙将使双稳态系统更易实现阱间运动。Xie[55]等同样提出了一种带碰撞的双稳态结构，该结构能在更大频率范围内俘能，从而提高俘能效率。但是，上述方法都有部分缺点，如弹性放大器的安装难度较大、结构复杂，带碰撞的俘能结构对碰撞间隙的大小有要求，并且由于频繁地碰撞，梁的使用寿命也必然会有所下降。图1-4具有弹性放大器的双稳态模型[53]图1-5带碰撞的双稳态模型[54]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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