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．

在本研究中，我们与海外进行了联合研究，以构建智能发电元结构的基础，其中压电振动收集器周期性地布置在结构上。所提出的结构形成了类似于半导体周期性结构的带隙，使得可以实现发电和振动抑制。今年，我们构建了机电系统元件的物理模型，开发了耦合分析方法，并设计并演示了基于一维梁结构的结构设计方法。随着研究的进展，应用时未预料到的技术问题变得清晰起来。尽管开发花费了一些时间，但我们成功构建了电气系统（包括发电电路）和元结构机械系统的耦合分析方法。通过耦合分析和一维梁结构实验验证表明，周期性排列相同尺寸振动采集器的元结构会导致发电分布出现偏差，不适合利用物联网来估计结构状态。未来我已经明白了。因此，我们致力于开发一种新的元结构来减少发电分布的偏差，并演示了减少发电分布的偏差和加宽带隙。虽然分析和实验显示出大致相同的趋势，但并不完全一致，我们将继续努力阐明其原因并提高准确性。我们还致力于开发以振动发电为动力的小型无线传感器节点，并成功传输结构振动的加速度波形数据。通过无线传输波形数据代替单点加速度有效值数据，可以提高与AI分析的兼容性。我们在元结构上安装了无线传感器节点，并成功观测到了结构的晃动。随着研究的进展，人们发现无线传感器节点的双电层电容器中存储的能量与振动采集器产生的能量之间存在差距。明年我们将致力于阐明这个机制。