集成的近零刚度机制与阵列式压电杆用于低频振动隔离和宽带能量采集

科学领域:

• 机械工程
• 材料科学
• 能源采集

背景情况:

• 低频振动控制和能量回收对于许多应用至关重要.
• 现有的结构往往面临着振动隔离和能量收获性能之间的权衡.
• 需要整合解决方案,同时解决这两种需求.

研究的目的:

• 提出和分析一个双功能结构,集成近零刚度 (QZS) 振动隔离和宽带压电能收获.
• 优化结构以实现接近零的动态刚度和广泛的工作频率范围的冲突目标.
• 通过参数调整来研究振动隔离和能量收集的协同优化.

主要方法:

• 使用横向和垂直弹的QZS振动隔离模块的开发.
• 一个带有差异化参数的压电横向光束阵列的集成,用于收集能量.
• 建立基于帕雷托原则的双重目标优化功能.
• 使用多度自由度电机合模型的平衡方法推导分析解决方案.
• 通过数值模拟和对参数影响的定量分析进行验证.

主要成果:

• 优化的结构具有低于2Hz的初始振动隔离频率.
• 在3-5赫兹范围内达到60%以上的振动隔离率,传播率低至10−2 (>98%的隔离率).
• 分化压电阵列扩大了能量收集频段,与振动隔离范围保持一致.
• 通过调整阻尼,压电参数和负载阻力来证明振动隔离和能量采集的协同优化.

结论:

• 拟议的双重功能结构有效地整合了低频振动隔离和宽带能量采集.
• 双重目标优化和参数差异化是实现协同效能的关键.
• 这项研究为设计集成的振动控制和能量回收系统提供了宝贵的理论基础,需要进一步进行实验验证.