强非线性耦合阵列结构压电振动能量采集器的复杂动力学问题研究

Piezoelectric Vibration Energy Harvester (PVEH) is an important long-term energy harvesting device. To improve the broadband vibration performance of the harvester, nonlinearities are intentionally introduced. At present, the research on the nonlinear PVEH remains to be further studied, and the coexistence of stable small- and large-orbit solutions induced by nonlinearity goes against broadband vibration energy harvesting. Therefore, a multi-DOF coupling multi-stable vibration energy harvesting architecture is proposed in this project. To accurately describe the multi-DOF coupling and strong nonlinearity in the proposed energy harvesting architecture, the relevant theory and method are established to expand the bandwidth and increase power output during the structural optimization procedure. Firstly, optimize magnetic field arrangement and establish more accurate magnetic model and continuum model of the non-linear multi-DOF oscillator. Secondly, the resonance frequency and the steady-state response of the oscillator are calculated by using the new undetermined dynamic natural frequency method to fully consider the strong nonlinearity embodied in the multi-DOF system. Thirdly, the system design parameters are optimized to broaden the harvesting bandwidth and reduce or eliminate the basins of attraction corresponding to small-orbit solutions. Fourthly, the Double Synchronized Switch Harvesting (DSSH) technique is improved to fit the proposed energy harvesting method. With this improvement, the parameter optimization principle of the PVEH system is achieved to exploit the potentialities of the architecture. Finally, experimental studies are performed to validate the theoretical findings.

压电振动能量采集器（PVEH）是一种重要的长效能源获取装置，为提高采集器的宽频振动性能，广大学者将非线性引入其中。目前，关于非线性PVEH的研究还有待进一步深入，非线性本身带来的多解共存现象也不利于宽频振动能量稳定采集。为此，本课题提出一种多自由度耦合多稳态振动能量采集方案，并以此方案为研究对象，建立相应的多自由度耦合强非线性振动理论体系，准确把握多自由度耦合及强非线性因素对谐振频率的影响，开展结构优化、拓展频带宽度、提高输出功率。内容包括：优化磁场布置，建立精确的磁力模型和多自由度非线性振子连续体模型，提出研究多自由度耦合强非线问题的动态待定固有频率法，准确计算系统中非线性因素对谐振频率的影响；探索拓展频带宽度、减小或消除小幅振动吸引域的参数优化方案；改进双同步开关能量回收技术，形成采集器的整体参数优化准则，充分发挥采集器的设计潜能；通过理论与实验的结合，验证设计思路与新提出的研究方法。

近年来，微功耗电子设备已在日常生活、野外监测及军事装备等方面得到广泛应用，通常这些设备的安装位置分散或不固定，难以直接通过电网对其供电，因此对供电单元提出了新的要求，一般供电部分应具备可移动、体积小、寿命长、无人看管等特点。振动能量采集技术可将环境中的振动能量加以收集和转化，形成可供利用的电能并实现对上述设备的供电，是当下能源研究的热点问题。本项目主要研究复合/阵列式能量采集器的动力学设计问题，尤其注重应用强非线性振动理论实现采集器的结构设计与优化。具体围绕非线性压电振动能量采集器的结构优化、频带拓宽及高功输出等问题展开研究，内容涉及原始样机的设计及开发、机电耦合系统力学建模及分析、强非线性谐振频率计算与调控、宽频振动系统参数识别及优化、能量回收开关电路搭建及改进、采集器综合性能实验验证等方面。主要研究成果包括以下几个方面：考虑传统的电磁式、碰撞式、摩擦式以及创新的无磁式、仿生式等能量采集技术路线，提出了几类非线性振动能量采集器/阵列原型机设计模型；基于待定固有频率法并通过引入动态频率，提出了可用于强非线性振动问题定量分析的复动频率法，并将其应用于采集器的动力学设计与优化；提出一种基于动态频率的非线性系统参数辨识方法，并将其应用于采集器结构参数的识别；提出一种将非线性振动近似理论方法与粒子群优化算法结合，用于振动结构参数优化设计的分析设计方法，用以提升采集器的输出功率及频带宽度；设计了一种自供电同步电荷翻转电路，通过电路仿真和实验研究，证明其可大幅提高采集器的输出功率。本课题的研究在一定程度上补充了强非线性振动能量采集器复杂动力学研究的理论方法，扩展了强非线性振动能量采集器的动态设计与优化思路，并探索了应用强非线性振动理论开展阵列式采集结构研发的可行性。