双稳态摆动式振动能量收集器的动力学特性研究

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实时状态监测已经成为二十一世纪重要的研究领域,分布式无线传感网络在生态环境监测、设备状态监控以及战场态势感知等诸多领域具有重要的战略地位,如何有效地为物信网中众多无线微传感器节点提供永久电源是面临的首要棘手问题。传统的电源电池难以从根本上解决无线微传感器节点的永久供电问题,打破原始供电模式,收集外部环境的振动能量并转化为电能的能量捕获技术在近几年受到广泛重视。本文提出了一种双稳态摆动式振动能量收集器,并对其动力学特性进行了研究,主要工作有:  阐述了双稳态摆动式振动能量收集器的研究背景及意义;介绍了电磁式双稳态振动能量收集器的国内外研究现状;最后对非线性振动的定量分析方法进行了介绍并详细说明了快慢变量分离法的应用。  建立了一种双稳态摆动式振动能量收集器的力学模型,利用拉格朗日方程建立了其数学模型,通过快慢变量分离法分析了系统的静态和动态特性,并对简谐激励下振动能量收集器的响应特性进行了研究,使用数值计算分析了激励频率和幅值变化时的响应特性。双稳态电磁式振动能量收集器在激励频率比较低时,小的激励幅值也能使系统获得足够的能量跨过势垒做大幅运动,而当激励频率增大时,产生大幅运动所需要的激励幅值也越大。  模拟了高斯白噪声和有色噪声,根据简谐激励下系统的动力学方程推导出了在随机激励下系统的动力学方程,并对其进行了数值仿真,得到了不同噪声强度下振动能量收集器的动力学响应。当噪声强度比较小的时,振动能量收集器得不到足够的能量,质量块只能在一个平衡点附近作小幅的随机振动;当噪声强度增加,系统获得了足够的能量去越过势垒,出现了在两个平衡点之间进行跳跃的现象;当噪声强度进一步增加时,在平衡点之间跳跃的时间间隔缩短;噪声强度再次增大,系统获得了足够的能量将在平衡点之间做大幅运动。  建立了圆柱形浮筒的模型,根据莫里森方程分别建立了浮筒在垂直方向和水平方向的动力学方程,对海浪的运动进行了模拟,并通过数值计算研究了浮筒在海浪激励下的响应,得到了浮筒在垂直方向和水平方向的运动。
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