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(shè)備和設(shè)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(shù),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(shù),將振動能量轉(zhuǎn)換為電能,并儲存起來為低功耗電子設(shè)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(guān)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(zhì)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(lǐng)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(diào)控方法》的綜述論文.構(gòu)建了機械能量采集動力學調(diào)控方法體系,包括激勵調(diào)制、非線性系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)、自適應(yīng)控制和策略調(diào)控等方法;論述了動力學調(diào)控方法的最新研究進展,包括每類動力學調(diào)控方法的特點和典型設(shè)計;最后,總結(jié)了動力學調(diào)控方法的關(guān)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(yīng)復雜環(huán)境激勵提供了新的動力學調(diào)控視角,有益于促進機械能量采集理論與技術(shù)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(guān)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(qū)動等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,助力海洋無人機電系統(tǒng)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計、混合風能收集器設(shè)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(shè)計提供參考,對渦激振動風能收集器面臨的關(guān)鍵問題與難點進行了分析和總結(jié),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(jīng)驗非線性空氣動力學模型并考慮與磁鐵位置相關(guān)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(nèi)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(qū)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(qū)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(yīng)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(yīng)及電學輸出的影響,加工了準零剛度驅(qū)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(yīng)與電學輸出,驗證了理論結(jié)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(shù)研究院邱長泉和申維和,上海航天控制技術(shù)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(zhuǎn)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(jié)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(chǔ)上,構(gòu)建等效電容擬合函數(shù),結(jié)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(yīng),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(jié)構(gòu)振動能量采集器的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法及應(yīng)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(chǔ)上提出增強型稀疏篩選辨識算法(ESINDy),改進了數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)電磁式振動能量采集器,利用理論建模與ESINDy 方法相結(jié)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(jié)果進行驗證.結(jié)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(jié)果表明翅片超表面能夠顯著改變鈍體的動力學響應(yīng).

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(gòu)建了磁非線性力,設(shè)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(yīng)關(guān)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(jié)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(yīng)與電阻、轉(zhuǎn)速等重要物理參數(shù)之間的關(guān)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(jié)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(zhuǎn)振動抑制研究》的研究論文.設(shè)計了一種具有簡單高效慣容結(jié)構(gòu)的手性超材料慣容吸振器(CIDVA),研究了CIDVA 結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(zhuǎn)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(zhuǎn)抑振能力,結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量.

合肥工業(yè)大學王帥和孫磊,武漢第二船舶設(shè)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(shè)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(gòu)建整體葉盤-吸振器陣列系統(tǒng)的動力學分析模型,結(jié)合解析形式的功率流分析方法,分析吸振器質(zhì)量、頻率調(diào)諧精度、阻尼水平以及吸振器個數(shù)等關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器最佳設(shè)計參數(shù)使殼體產(chǎn)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(yīng),通過時域響應(yīng)、頻譜、分岔和幅頻響應(yīng)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(jù)響應(yīng)分析結(jié)果,對共振轉(zhuǎn)換器進行參數(shù)設(shè)計.