多稳定复合材料层板非线性振动及其宽频能源收集系统设计

基本信息
批准号:11372087
项目类别:面上项目
资助金额:80.00
负责人:戴福洪
学科分类:
依托单位:哈尔滨工业大学
批准年份:2013
结题年份:2017
起止时间:2014-01-01 - 2017-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:姚永涛,李昊,胡建强,王景泽,宁柏洲,李鹏
关键词:
能量收集力电耦合分析非线性动力学非对称层板多稳定
结项摘要

The vibration energy harvesting technology based on piezoelectric materials is one of the hot topics in the energy harvesting. However, the conventional linear vibration energy harvesting system is hard to be adaptive in the different environment. The multi-stable laminates can offer multiple stable geometric configurations. Its vibration behavior between the two stable configurations is potential to improve the energy output and the bandwidth of the energy harvesting system. In this project, the nonlinear vibration energy harvesting system based on the multi-stable composite laminate is studied. We will establish the dynamical model of the multi-stable composite laminates, and the dynamic response of multi-stable composite laminates at different excitation frequencies and amplitudes. The coupling effect between multi-stable laminates and piezoelectric ceramics are analyzed by theoretical method, and the efficiency of the vibration energy harvesting system is predicted. The design method and the manufacturing technology for bonding the multi-stable laminates and piezoelectric ceramics will be investigated. The optimization theory for the non-linear energy harvesting system will be presented and the key optimization parameters will be obtained. This project will provide the fundamental models and analysis methods for the application of non-linear energy harvesting systems on frequency varying structures.

基于压电材料的振动能量收集是能源收集研究最活跃的领域之一,而传统的线性振动能量收集系统难以适应振动频率不断发生变化的环境。多稳定复合材料层板具有多个稳定构型,其跨构型跳变临界点的振动特性可有效增加能量收集系统的能量输出和工作频带宽度。本项目将提出基于多稳定复合材料层板的宽频能源收集系统概念和设计方法。重点解决多稳定层合板的跨跳变临界点的分叉动力学行为分析问题,掌握多稳定层合板在不同振动激励下动力学响应的分析方法;建立多稳定层合板和压电材料的力电耦合模型,发展并掌握非线性宽频能量收集系统的能量收集效率预报模型;解决压电陶瓷与多稳定复合材料层合板的粘接界面设计方法以及复合工艺;掌握该能量收集系统的优化理论以及关键参数的优化模型。通过对非线性能量收集系统的系统研究,为其在多种振动环境中的匹配设计和应用奠定理论基础并提供分析方法。

项目摘要

多稳定振动能量收集是有望解决系统设计复杂性、系统工作频带以及能源收集效率低等难题的重要技术途径。本项目建立了双稳定复合材料压电能量收集器构型预报和动力学分析模型,与实验研究相结合,给出了铺层、结构几何等参数对能量收集效果的影响规律。提出了基于反对称双稳定复合材料层板二阶模态的高频(>50 Hz)振动能量收集方法,提出了对称混杂双稳定压电能量收集器的设计方法,研究发现Cross well(跨势能阱)振动可大幅提高压电陶瓷利用效率,最大功率密度可达225.9mW/cm3 。通过共固化工艺,解决了压电陶瓷与多稳定复合材料层合板的界面问题;研究了双稳态压电能量收集器的储能和电路设计,建立了其能量收集评估方法,项目共发表学术论文篇9,其中SCI论文7篇。获授权国家发明专利4项。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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