Realization of a mechanical structure enabling power generation and vibration reduction via band engineering

通过带工程实现可发电和减振的机械结构

基本信息

批准号：
21KK0252
负责人：
浅沼春彦
金额：
$ 9.9万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022 至 2023
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，構造上に圧電振動ハーベスタを周期配置したスマート発電メタ構造の基礎を構築するため，海外共同研究を実施した．提案構造は，半導体の周期構造と類似したバンドギャップを形成して，発電と振動抑制の両立を可能にする．本年度は機械系・電気系要素の物理モデルの構築とその連成解析手法の開発，１次元はり構造を基にした構造設計法の考案と実証を行った．研究を進めるにつれて申請時には想定できなかった技術課題が分かってきた．開発に時間を要したが，発電回路を含む電気系とメタ構造の機械系の連成解析法の構築に成功した．連成解析と１次元はり構造を用いた実験による検証から，同じサイズの振動ハーベスタを周期配置するメタ構造では発電分布に偏りが生じ，将来のIoTを用いた構造状態推定には適さない事が分かってきた．そこで，発電分布の偏りを低減する新たなメタ構造の開発に取り組み，発電分布の偏り低減とワイドバンドギャップ化を実証した．解析と実験は凡そ同じ傾向を示したが完全には一致しておらず，今後この原因の解明や精度向上に取り組む．また，振動発電で駆動する小型無線センサノードの開発に取り組み，構造振動の加速度波形データの送信に成功した．加速度のRMS値の1点データではなく，波形データを無線送信する事でAI解析との親和性を高める事が出来る．メタ構造上に無線センサノードを取り付け，構造の揺れの様子の観測に成功した．研究を進めるにつれて，無線センサノードの電気二重層コンデンサに蓄積されるエネルギと振動ハーベスタの生み出すエネルギにギャップが存在する事が分かってきた．次年度に，このメカニズムについての解明にも取り組む．

在这项研究中，我们进行了海外联合研究，为智能发电元结构建立了基础，在该结构中定期在结构上安排了压电振动收割机。所提出的结构形成了类似于半导体的周期性结构的带隙，从而使发电和振动抑制既可以抑制。今年，我们为机械和电气组件构建了物理模型，开发了一种链接分析的方法，并根据一维束结构设计和演示了一种结构设计方法。当我继续研究时，我开始理解申请时我无法期望的技术问题。尽管花了一些时间开发，但我们成功地构建了一种结合电气系统的方法，包括发电电路和元结构的机械系统。从使用一维光束结构的耦合分析和实验验证，已经发现，相同大小的振动收获者周期性地布置了发电分布，并且不适合使用IOT进行IOT的未来结构状态估计。因此，我们致力于开发一种新的跨结构，以减少发电发电的偏差，并证明发电分布和宽带隙的减少。分析和实验表明趋势大致相同，但它们并不完全一致，我们将努力阐明原因并提高未来的准确性。此外，我们还致力于开发一个由振动发电的小型无线传感器节点，并成功地传输了加速波形数据以进行结构振动。通过无线传输加速度RMS值的波形数据，而不是单点数据，它可以通过AI分析增加亲和力。元结构上安装了无线传感器节点，并成功监视了结构。随着我们进行研究，我们开始意识到，无线传感器节点的电动双层电容器中积累的能量与振动收割机产生的能量之间存在差距。第二年，我们还将致力于阐明这种机制。