基于环境振动的非线性振动能量获取技术研究

The nonlinear bistable magnetic energy harvester system subject to environment random excitation will be investigated in this project. Aiming at enhancing the efficiency of electricity generating, dynamic modeling, mechanism of action on the dynamic response resulting from the structural and excitation parameters, and experiment will be proceeded. The new bistable magnetic energy harvester added with a SDOF mass-spring-damper oscillator will be put forward. And the corresponding mechanical model will be established. The nonlinear dynamic performance of the new energy harvester excited by harmonic and Gauss random noise signal, such as homoclinic bifurcation and chaos, will be studied by means of nonlinear dynamics. The threshold curves of making homoclinic bifurcation occur will be obtained. Effect law of the parameters on domain of attraction, such as amplitude of the harmonic excitation, frequency, load impedance, intensity of noise, initial displacement and so on, will be uncovered. Varying curves of the threshold of chaos motion occurring between the double potential wells will be obtained. The general criterion between improving output power density and regulating structural parameters will be estabished. The experiment platform of the new harvester will be established. Control software of the platform will be developed, and many experiments will be carried out. The multidimensional database involving structural and excitation parameters will be established. The dynamic model of the new harvester will be modified according to the experiment data. All of research results can provide theoretical and experimental supports for the structure optimum design, improvement of the working band and application of the bistable magnetic energy harvester.

本项目主要以受环境随机激振的非线性双稳态电磁发电系统为研究对象，以提高系统发电效率为研究目标，进行动力学建模、参数作用机理分析及试验研究。建立含附加弹簧振子的新型双稳态电磁式振动发电系统结构模型及力学模型，借助非线性动力学理论，分析简谐和随机激励作用下能量获取系统的同宿分岔和混沌等非线性动力学行为，改善双稳态电磁发电系统动态响应，获得系统产生同宿分岔的阈值曲线，揭示激励幅值、频率、负载阻抗、噪声强度、初始值等参数对系统大幅吸引域的影响规律，获得系统在两势阱间做大幅混沌运动的阈值变化曲线，建立双稳态电磁发电系统输出功率密度提高和系统结构参数调整间关系的一般准则。搭建新型双稳态电磁发电系统试验平台，开发测控软件并进行试验验证，构建含结构参数及激励参数的多维试验数据库，修正发电系统的动力学模型，研究成果可为双稳态电磁发电系统的结构优化设计、工作频带拓宽、促进工程应用等方面提供理论基础和试验支持。

周围工作环境中存在各种强度和频率的机械振动能，机械振动具有相对高的能量密度、普遍存在，且没有污染，收集外部环境振动能量并转化为电能的能量捕获技术是解决无线电子产品供电问题的有效途径。打破原始供电模式，寻找新型可持续电源成为能源研究领域的一个重要研究方向。针对环境中振动能量提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获系统力学模型，分别从简谐激励和随机激励方面去研究双稳态振动能量捕获系统的非线性动力学行为，研究激励参数（噪声类型、噪声强度、系统初值参数）和结构参数（质量比、调频比、阻尼比、负载电阻）间的匹配关系，探索双稳态振动能量捕获系统产生大幅运动的条件。借助非线性动力学理论和数值方法，研究了质量比和调频比对系统产生大幅（混沌）运动的影响规律，获得了系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解以及系统表现为基谐波发电和超谐波发电的激励频率范围；得到了随机激励下质量比和调频比对系统产生大幅运动的影响规律，借助数值仿真发现了不同的噪声强度下最优发电性能下的势阱深度，得到了双稳态系统具有较高的发电性能下的最优质量比、调频比以及阻尼比参数参数配置范围；建立了含线性放大器的双稳态电磁式振动能量捕获系统力学模型，采用增量谐波平衡法和数值仿真得到了脉冲激励参数和系统结构参数对发电功率的影响规律；提出了一种新型的双稳态减速带能量捕获装置，得到了车重和车速均值和方差对减速带发电功率的影响规律，将双稳态电磁式能量捕获系统作为非线性吸振器，研究了简谐和随机激励下激励参数和结构参数对非线性吸振器的动力学影响，通过逐步参数优化，获得了主系统发生共振和非共振情况下的非线性吸振器工作性能最佳的参数配置区间。设计搭建双稳态电磁式振动能量捕获实验装置、压电式实验装置并进行了相关实验研究。研究成果可为基于非线性振动的振动能量捕获系统的研究在结构优化设计、工作频带拓宽、促进工程应用等方面提供相关研究基础和实验支持。