振动能量采集与振动控制序

张文明 赵林川 邹鸿翔

* (上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海 200240)

† (湖南工程学院机械工程学院,湖南湘潭 411104)

振动是自然界中常见的现象,振动超过一定限度时,会对人体、设备和设施造成损伤.研究人员一般从两个方面处理振动: 一方面采用振动控制技术,包括吸振、隔振、减振等,降低从振动源传输到主体的振动能量;另一方面采用能量采集技术,将振动能量转换为电能,并储存起来为低功耗电子设备供电,即能量的重新分配与利用.振动能量采集与振动控制具有相通的力学原理与方法.近年来研究者们对振动能量采集与振动控制进行了深入研究,实现自供能传感、重大装备减振降噪、自反馈振动控制等,促进我国高端智能化装备研制,助力国家“双碳”目标实现.

为了更好地利用振动,需要解决一些关键问题,包括: (1)振动激励不稳定导致输出功率低、电能品质低;(2)复杂振动能量采集系统的建模方法与动力学特性;(3)复杂工况下的振动控制方法.围绕上述问题,《力学学报》组织了“振动能量采集与振动控制”这一专题.由于篇幅限制,该专题包含了 3 篇综述论文和 12 篇研究论文,从振动能量采集新方法、振动系统建模方法、动力学与俘能特性、复杂工况下的振动控制等方面反映了“振动能量采集与振动控制”领域的最新研究进展,供读者参考.

上海交通大学赵林川、孟光和张文明,湖南工程学院邹鸿翔和陈泽文撰写了《机械能量采集动力学调控方法》的综述论文.构建了机械能量采集动力学调控方法体系,包括激励调制、非线性系统、多自由度系统、自适应控制和策略调控等方法;论述了动力学调控方法的最新研究进展,包括每类动力学调控方法的特点和典型设计;最后,总结了动力学调控方法的关键挑战,并预测了未来发展方向,为机械能量采集系统适应复杂环境激励提供了新的动力学调控视角,有益于促进机械能量采集理论与技术的发展.

湖南工程学院邹鸿翔、苏昌胜和魏克湘,上海交通大学赵林川和张文明撰写了《波浪能量采集及自供能海洋无人机电系统研究进展》的综述论文.论述了波浪能量采集、基于波浪能量采集的自供能海洋无人机电系统和海洋无人机电系统的研究进展,讨论了目前自供能海洋无人机电系统面临的关键挑战并进行展望,为解决海洋无人机电系统长期有效供能难题提供多维度参考,推动自供能传感、控制与驱动等技术的发展与应用,助力海洋无人机电系统应用于深海远海.

河南大学黄浩博、曹迪、周志勇和杜文风撰写了《基于涡激振动的压电风能收集器研究进展》的综述论文.综述了涡激振动能量收集器的研究现状,着重讨论了钝体形态优化、非线性特性引入、多风向风能收集结构设计、混合风能收集器设计等增强方案对涡激振动风能收集器性能的影响,为高性能涡激振动能量收集器的设计提供参考,对涡激振动风能收集器面临的关键问题与难点进行了分析和总结,并对今后的研究方向和未来的发展前景进行了展望.

西北工业大学李支援、吕文博、马小青和周生喜撰写了《一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器》的研究论文.提出了一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器.基于半经验非线性空气动力学模型并考虑与磁铁位置相关的机电耦合系数,建立了该能量俘获器的动力学模型,搭建了风洞实验平台,制作了实验样机,在8.6 m/s 风速下,实验中能量俘获器的负载电阻接近线圈内阻值时平均功率达到最大值7.5 mW.

湖南大学陈婷婷、王凯和周加喜,香港理工大学成利撰写了《准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法》的研究论文.提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置,利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程,并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式,探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响,加工了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机,测试了系统的动力学响应与电学输出,验证了理论结果的正确性.

西北工业大学毛新辉、张继元、齐欢和陶凯,中国运载火箭技术研究院邱长泉和申维和,上海航天控制技术研究所田建国,南方科技大学汪飞撰写了《利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器》的研究论文.提出了一种基于斜齿离合传动系统的电磁式振动俘能器以系统性解决输出频率低和能量转化时间短的问题,建立了机电耦合动力学模型并进行实验验证,研究结果表明,单层发电模块的峰值功率可达1.25 W,两层发电模块并联输出2.5 W 的峰值功率,可实现134 mW 平均输出功率.

清华大学韩勤锴、邵卿洋和褚福磊,米兰理工大学高帅撰写了《摆式摩擦发电机非线性机电耦合建模研究》的研究论文.开展了非线性机电耦合建模与参数敏感性分析,以推动其向工程实用化方向发展,在摩擦发电机理分析的基础上,构建等效电容拟合函数,结合能量原理和等效电路法,建立了考虑摆角非线性变化的机电耦合模型,考虑非线性效应,模型预估的工作带宽显著增加(相对增量83%).

天津大学邱宏蕴、王志霞、丁北和王炜撰写了《一类双层薄膜结构振动能量采集器的数据驱动建模方法及应用》的研究论文.在已有稀疏非线性动力系统辨识算法(SINDy)基础上提出增强型稀疏筛选辨识算法(ESINDy),改进了数据滤波模块以强化其对于含噪信号的处理能力,研究了一类双层薄膜结构电磁式振动能量采集器,利用理论建模与ESINDy 方法相结合的手段建立了采集器动力学方程,并通过实验和仿真对理论结果进行验证.结果表明: 相比于SINDy 算法,ESINDy 算法能够更加准确地识别该动力学系统的信息,刻画系统蕴含的复杂振动行为.

郑州大学张野和王军雷撰写了《基于翅片超表面钝体的流致振动俘能特性研究》的研究论文.为了增强普通圆柱的流致振动俘能特性,在圆柱表面装配不同高度和不同数量的翅片超表面并研究其对流致振动俘能特性的影响.搭建了流致振动俘能实验平台并制作压电俘能器,分析了不同俘能器的俘能特性.基于Tamura 和Shimada 提出的涡驰耦合模型,推导单自由度压电俘能器流-固-电耦合理论模型,并研究了俘能器的气动力参数对其俘能特性的影响.建立计算流体动力学模型,仿真分析了不同钝体的旋涡脱落模式和流场特性.实验结果表明翅片超表面能够显著改变钝体的动力学响应.

浙江理工大学潘侠圭、余宁和严博撰写了《不倒翁式电磁俘能器的非线性动力学特性研究》的研究论文.引入了不倒翁机制与Halbach 磁铁阵列,构建了磁非线性力,设计了一种不倒翁式电磁俘能器,以实现提高低频波浪能的俘获效果.基于拉格朗日方程建立了不倒翁式电磁俘能器的理论模型,并用谐波平衡法推导了不倒翁摆角与输出电压的频率响应关系,探究了激励频率与幅值等参数对系统动力学行为的影响规律,研制了不倒翁式电磁俘能器原理样机,验证了理论模型的正确性.研究表明: 引入磁非线性力使得系统呈现刚度硬化特征,有利于提升低频俘能效率.

西南石油大学赵翔、袁铭泽和李映辉,深圳大学方仕童撰写了《基于自旋梁的压电振动能量采集与动力学分析》的研究论文.提出了运用格林函数法求解自旋梁压电俘能器强迫振动下的电压解析解,基于Euler-Bernoulli 梁理论建立了自旋梁压电俘能器强迫振动的力电耦合模型,采用Laplace 变换法求得耦合振动方程的格林函数解,求得强迫振动下自旋梁压电俘能器的电压解析解.数值计算中通过与现有文献中的解析解以及实验结果进行对比,验证了本文解的有效性,并分别分析了自旋梁压电俘能器的压电响应与电阻、转速等重要物理参数之间的关系.

西安科技大学张晓宇和张旭辉撰写了《矿用压电俘能器建模与俘能特性研究》的研究论文.建立了恢复力模型、磁力模型和动力学模型,提取了采煤机的前滚筒、后滚筒、前摇臂、后摇臂的截割方向加速度,将截割方向加速度导入到动力学模型中,分析了在不同磁距下的俘能特性,并开展实验研究.结果表明: 压电俘能器受到前滚筒、后滚筒、前摇臂、后摇臂的截割方向加速度,当在俘能特性较好的磁距下时,电压在依次减小,且随煤层硬度的增大,电压在增大.

东北大学李卉、魏国崇、姚红良和彭禧撰写了《手性超材料惯容吸振器的扭转振动抑制研究》的研究论文.设计了一种具有简单高效惯容结构的手性超材料惯容吸振器(CIDVA),研究了CIDVA 结构和工作原理并进行有限元仿真分析,计算和验证其惯容放大常数,并在此基础上建立了CIDVA-主系统的动力学方程,对CIDVA-主系统在稳态和瞬态激励下的扭转振动抑制能力进行了研究,并与锁定CIDVA 进行了对比.基于试验验证了CIDVA 对主系统的扭转抑振能力,结果表明CIDVA 能在瞬态和稳态激励下有效抑制主系统扭转振动,且相较于传统动力吸振器,能节省自身10 倍以上的转动惯量.

合肥工业大学王帅和孙磊,武汉第二船舶设计研究所吴君和郑召利,北京理工大学付海岭和毕传兴撰写了《失谐整体叶盘多模态振动抑制的吸振器阵列方法》的研究论文.提出了一种由一系列吸振器环状布置而成的吸振器阵列减振方法,通过设置多组匹配不同模态的吸振器,实现对多模态共振峰值的抑制,采用集中参数模型构建整体叶盘-吸振器阵列系统的动力学分析模型,结合解析形式的功率流分析方法,分析吸振器质量、频率调谐精度、阻尼水平以及吸振器个数等关键参数对吸振器阵列减振性能的影响.搭建了吸振器阵列方法验证实验台,并通过实验验证了吸振器阵列方法的效果.

西北工业大学张康宇、路宽、程晖、傅超和郭栋撰写了《基于共振转换器的自主水下航行器动力学建模及减振降噪》的研究论文.提出了一种含有轴承非线性的自主水下航行器振动-声学模型,并通过寻找共振转换器最佳设计参数使壳体产生的振动声辐射功率级最小,达到反共振的目的.建立了含有浆-轴-壳的双梁系统有限元模型,采用Runge-Kutta 法求解了系统振动响应,通过时域响应、频谱、分岔和幅频响应图等后处理信号分析了系统的动力学特征,以壳体声功率级作为代价函数并根据响应分析结果,对共振转换器进行参数设计.