振動能量采集與振動控制序

張文明 趙林川 鄒鴻翔

* (上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室,上海 200240)

? (湖南工程學院機械工程學院,湖南湘潭 411104)

振動是自然界中常見的現(xiàn)象,振動超過一定限度時,會對人體、設備和設施造成損傷.研究人員一般從兩個方面處理振動: 一方面采用振動控制技術,包括吸振、隔振、減振等,降低從振動源傳輸?shù)街黧w的振動能量;另一方面采用能量采集技術,將振動能量轉換為電能,并儲存起來為低功耗電子設備供電,即能量的重新分配與利用.振動能量采集與振動控制具有相通的力學原理與方法.近年來研究者們對振動能量采集與振動控制進行了深入研究,實現(xiàn)自供能傳感、重大裝備減振降噪、自反饋振動控制等,促進我國高端智能化裝備研制,助力國家“雙碳”目標實現(xiàn).

為了更好地利用振動,需要解決一些關鍵問題,包括: (1)振動激勵不穩(wěn)定導致輸出功率低、電能品質低;(2)復雜振動能量采集系統(tǒng)的建模方法與動力學特性;(3)復雜工況下的振動控制方法.圍繞上述問題,《力學學報》組織了“振動能量采集與振動控制”這一專題.由于篇幅限制,該專題包含了 3 篇綜述論文和 12 篇研究論文,從振動能量采集新方法、振動系統(tǒng)建模方法、動力學與俘能特性、復雜工況下的振動控制等方面反映了“振動能量采集與振動控制”領域的最新研究進展,供讀者參考.

上海交通大學趙林川、孟光和張文明,湖南工程學院鄒鴻翔和陳澤文撰寫了《機械能量采集動力學調控方法》的綜述論文.構建了機械能量采集動力學調控方法體系,包括激勵調制、非線性系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)、自適應控制和策略調控等方法;論述了動力學調控方法的最新研究進展,包括每類動力學調控方法的特點和典型設計;最后,總結了動力學調控方法的關鍵挑戰(zhàn),并預測了未來發(fā)展方向,為機械能量采集系統(tǒng)適應復雜環(huán)境激勵提供了新的動力學調控視角,有益于促進機械能量采集理論與技術的發(fā)展.

湖南工程學院鄒鴻翔、蘇昌勝和魏克湘,上海交通大學趙林川和張文明撰寫了《波浪能量采集及自供能海洋無人機電系統(tǒng)研究進展》的綜述論文.論述了波浪能量采集、基于波浪能量采集的自供能海洋無人機電系統(tǒng)和海洋無人機電系統(tǒng)的研究進展,討論了目前自供能海洋無人機電系統(tǒng)面臨的關鍵挑戰(zhàn)并進行展望,為解決海洋無人機電系統(tǒng)長期有效供能難題提供多維度參考,推動自供能傳感、控制與驅動等技術的發(fā)展與應用,助力海洋無人機電系統(tǒng)應用于深海遠海.

河南大學黃浩博、曹迪、周志勇和杜文風撰寫了《基于渦激振動的壓電風能收集器研究進展》的綜述論文.綜述了渦激振動能量收集器的研究現(xiàn)狀,著重討論了鈍體形態(tài)優(yōu)化、非線性特性引入、多風向風能收集結構設計、混合風能收集器設計等增強方案對渦激振動風能收集器性能的影響,為高性能渦激振動能量收集器的設計提供參考,對渦激振動風能收集器面臨的關鍵問題與難點進行了分析和總結,并對今后的研究方向和未來的發(fā)展前景進行了展望.

西北工業(yè)大學李支援、呂文博、馬小青和周生喜撰寫了《一種磁力滑動式翼型顫振能量俘獲器》的研究論文.提出了一種磁力滑動式翼型顫振能量俘獲器.基于半經驗非線性空氣動力學模型并考慮與磁鐵位置相關的機電耦合系數(shù),建立了該能量俘獲器的動力學模型,搭建了風洞實驗平臺,制作了實驗樣機,在8.6 m/s 風速下,實驗中能量俘獲器的負載電阻接近線圈內阻值時平均功率達到最大值7.5 mW.

湖南大學陳婷婷、王凱和周加喜,香港理工大學成利撰寫了《準零剛度驅動式壓電低頻振動能量采集方法》的研究論文.提出了一種準零剛度驅動式壓電振動能量采集裝置,利用能量法得到壓電俘能單元的機電耦合方程,并用諧波平衡法獲得系統(tǒng)動力學及電學響應的解析表達式,探究了阻尼比、激勵幅值等參數(shù)對動力學響應及電學輸出的影響,加工了準零剛度驅動式壓電振動能量采集裝置樣機,測試了系統(tǒng)的動力學響應與電學輸出,驗證了理論結果的正確性.

西北工業(yè)大學毛新輝、張繼元、齊歡和陶凱,中國運載火箭技術研究院邱長泉和申維和,上海航天控制技術研究所田建國,南方科技大學汪飛撰寫了《利用斜齒離合升頻機制實現(xiàn)瓦級輸出的超低頻電磁式振動能量收集器》的研究論文.提出了一種基于斜齒離合傳動系統(tǒng)的電磁式振動俘能器以系統(tǒng)性解決輸出頻率低和能量轉化時間短的問題,建立了機電耦合動力學模型并進行實驗驗證,研究結果表明,單層發(fā)電模塊的峰值功率可達1.25 W,兩層發(fā)電模塊并聯(lián)輸出2.5 W 的峰值功率,可實現(xiàn)134 mW 平均輸出功率.

清華大學韓勤鍇、邵卿洋和褚福磊,米蘭理工大學高帥撰寫了《擺式摩擦發(fā)電機非線性機電耦合建模研究》的研究論文.開展了非線性機電耦合建模與參數(shù)敏感性分析,以推動其向工程實用化方向發(fā)展,在摩擦發(fā)電機理分析的基礎上,構建等效電容擬合函數(shù),結合能量原理和等效電路法,建立了考慮擺角非線性變化的機電耦合模型,考慮非線性效應,模型預估的工作帶寬顯著增加(相對增量83%).

天津大學邱宏蘊、王志霞、丁北和王煒撰寫了《一類雙層薄膜結構振動能量采集器的數(shù)據驅動建模方法及應用》的研究論文.在已有稀疏非線性動力系統(tǒng)辨識算法(SINDy)基礎上提出增強型稀疏篩選辨識算法(ESINDy),改進了數(shù)據濾波模塊以強化其對于含噪信號的處理能力,研究了一類雙層薄膜結構電磁式振動能量采集器,利用理論建模與ESINDy 方法相結合的手段建立了采集器動力學方程,并通過實驗和仿真對理論結果進行驗證.結果表明: 相比于SINDy 算法,ESINDy 算法能夠更加準確地識別該動力學系統(tǒng)的信息,刻畫系統(tǒng)蘊含的復雜振動行為.

鄭州大學張野和王軍雷撰寫了《基于翅片超表面鈍體的流致振動俘能特性研究》的研究論文.為了增強普通圓柱的流致振動俘能特性,在圓柱表面裝配不同高度和不同數(shù)量的翅片超表面并研究其對流致振動俘能特性的影響.搭建了流致振動俘能實驗平臺并制作壓電俘能器,分析了不同俘能器的俘能特性.基于Tamura 和Shimada 提出的渦馳耦合模型,推導單自由度壓電俘能器流-固-電耦合理論模型,并研究了俘能器的氣動力參數(shù)對其俘能特性的影響.建立計算流體動力學模型,仿真分析了不同鈍體的旋渦脫落模式和流場特性.實驗結果表明翅片超表面能夠顯著改變鈍體的動力學響應.

浙江理工大學潘俠圭、余寧和嚴博撰寫了《不倒翁式電磁俘能器的非線性動力學特性研究》的研究論文.引入了不倒翁機制與Halbach 磁鐵陣列,構建了磁非線性力,設計了一種不倒翁式電磁俘能器,以實現(xiàn)提高低頻波浪能的俘獲效果.基于拉格朗日方程建立了不倒翁式電磁俘能器的理論模型,并用諧波平衡法推導了不倒翁擺角與輸出電壓的頻率響應關系,探究了激勵頻率與幅值等參數(shù)對系統(tǒng)動力學行為的影響規(guī)律,研制了不倒翁式電磁俘能器原理樣機,驗證了理論模型的正確性.研究表明: 引入磁非線性力使得系統(tǒng)呈現(xiàn)剛度硬化特征,有利于提升低頻俘能效率.

西南石油大學趙翔、袁銘澤和李映輝,深圳大學方仕童撰寫了《基于自旋梁的壓電振動能量采集與動力學分析》的研究論文.提出了運用格林函數(shù)法求解自旋梁壓電俘能器強迫振動下的電壓解析解,基于Euler-Bernoulli 梁理論建立了自旋梁壓電俘能器強迫振動的力電耦合模型,采用Laplace 變換法求得耦合振動方程的格林函數(shù)解,求得強迫振動下自旋梁壓電俘能器的電壓解析解.數(shù)值計算中通過與現(xiàn)有文獻中的解析解以及實驗結果進行對比,驗證了本文解的有效性,并分別分析了自旋梁壓電俘能器的壓電響應與電阻、轉速等重要物理參數(shù)之間的關系.

西安科技大學張曉宇和張旭輝撰寫了《礦用壓電俘能器建模與俘能特性研究》的研究論文.建立了恢復力模型、磁力模型和動力學模型,提取了采煤機的前滾筒、后滾筒、前搖臂、后搖臂的截割方向加速度,將截割方向加速度導入到動力學模型中,分析了在不同磁距下的俘能特性,并開展實驗研究.結果表明: 壓電俘能器受到前滾筒、后滾筒、前搖臂、后搖臂的截割方向加速度,當在俘能特性較好的磁距下時,電壓在依次減小,且隨煤層硬度的增大,電壓在增大.

東北大學李卉、魏國崇、姚紅良和彭禧撰寫了《手性超材料慣容吸振器的扭轉振動抑制研究》的研究論文.設計了一種具有簡單高效慣容結構的手性超材料慣容吸振器(CIDVA),研究了CIDVA 結構和工作原理并進行有限元仿真分析,計算和驗證其慣容放大常數(shù),并在此基礎上建立了CIDVA-主系統(tǒng)的動力學方程,對CIDVA-主系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)激勵下的扭轉振動抑制能力進行了研究,并與鎖定CIDVA 進行了對比.基于試驗驗證了CIDVA 對主系統(tǒng)的扭轉抑振能力,結果表明CIDVA 能在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)激勵下有效抑制主系統(tǒng)扭轉振動,且相較于傳統(tǒng)動力吸振器,能節(jié)省自身10 倍以上的轉動慣量.

合肥工業(yè)大學王帥和孫磊,武漢第二船舶設計研究所吳君和鄭召利,北京理工大學付海嶺和畢傳興撰寫了《失諧整體葉盤多模態(tài)振動抑制的吸振器陣列方法》的研究論文.提出了一種由一系列吸振器環(huán)狀布置而成的吸振器陣列減振方法,通過設置多組匹配不同模態(tài)的吸振器,實現(xiàn)對多模態(tài)共振峰值的抑制,采用集中參數(shù)模型構建整體葉盤-吸振器陣列系統(tǒng)的動力學分析模型,結合解析形式的功率流分析方法,分析吸振器質量、頻率調諧精度、阻尼水平以及吸振器個數(shù)等關鍵參數(shù)對吸振器陣列減振性能的影響.搭建了吸振器陣列方法驗證實驗臺,并通過實驗驗證了吸振器陣列方法的效果.

西北工業(yè)大學張康宇、路寬、程暉、傅超和郭棟撰寫了《基于共振轉換器的自主水下航行器動力學建模及減振降噪》的研究論文.提出了一種含有軸承非線性的自主水下航行器振動-聲學模型,并通過尋找共振轉換器最佳設計參數(shù)使殼體產生的振動聲輻射功率級最小,達到反共振的目的.建立了含有漿-軸-殼的雙梁系統(tǒng)有限元模型,采用Runge-Kutta 法求解了系統(tǒng)振動響應,通過時域響應、頻譜、分岔和幅頻響應圖等后處理信號分析了系統(tǒng)的動力學特征,以殼體聲功率級作為代價函數(shù)并根據響應分析結果,對共振轉換器進行參數(shù)設計.