压电自参数吸振-俘能器动力学设计与性能研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11802071
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0702.非线性振动及其控制
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The nonlinear coupling of the piezoelectric autoparametric vibration absorber-harvester is used to control the harmful vibration of its main structure. In the mean time, the piezoelectric effect is utilized to harvest the vibrational energy of the secondary structure for powering the microelectromechanical devices and wireless sensors. As a result, the integration of the vibration control and sensor powering is realized, which has great engineering significances in the mechanical, civil and aerospace fields. In this project, the quadratic coupling between the primary and secondary structures of the piezoelectric autoparametric vibration absorber-harvester is designed based on the principle of nonlinear saturation. A nonlinear distributed-parameter electromechanical-coupled model is established for such a system. Numerical simulations and experimental studies are used to validate the proposed theoretical model. The methods of harmonic balance and multiple scales are then utilized to deduce the closed-form solutions of the responses of the primary and secondary structures and harvested power. The sufficient and necessary condition for the system stability is given by using the Routh-Hurwitz criterion. The forms of motions in the stable and unstable regions are compared. The effects of the parameters, including the external force frequency and amplitude and the load resistance on the stable boundary are analyzed. The nonlinear phenomena such as saturation, jumping and hysteresis are studied. The dynamic design is performed to avoid the unstable movement, such as chaos, by taking advantage of the characteristics of energy harvesting. Considering the synergistic effect of vibration absorption and energy harvesting, the Lagrange multiplier method is used to determine the optimal parameters for improving the performance of the system. Finally, the strategies of the dynamic design and performance enhancement for the piezoelectric autoparametric vibration absorber-harvester are proposed.
通过压电自参数吸振-俘能器非线性耦合对主结构危害振动进行控制,同时利用压电效应采集次结构振动能,为微机电设备和无线传感器供能。实现振动控制-传感供能一体化,在机械、土木、航空航天等领域都具有重大工程意义。本项目首先基于非线性饱和原理设计压电自参数吸振-俘能器主次结构二次耦合作用。为其建立非线性分布参数力电耦合模型,并通过数值仿真和实验研究对理论模型进行验证。然后结合谐波平衡法和多尺度法推导主次结构位移和采集电功率闭合解。采用劳斯-赫尔维茨判据确定压电自参数吸振-俘能器稳定的充分必要条件,对比稳定区与非稳定区的运动形式。分析参数包括外力频率和幅值及负载电阻对稳定边界的影响,研究饱和、跳跃和滞回等非线性现象。进行动力学设计,利用俘能特性规避混沌等不稳定运动。考虑吸振和俘能协同作用,采用拉格朗日乘数法确定系统最优参数,提升系统性能。最终提出压电自参数吸振-俘能器动力学设计和性能提升方案。

结项摘要

通过压电自参数吸振-俘能器非线性耦合对主结构危害振动进行控制,同时利用压电效应采集次结构振动能,为微机电设备和无线传感器供能。实现振动控制-传感供能一体化,在机械、土木、航空航天等领域都具有重大工程意义。本项目考虑压电自参数器件悬臂梁的非线性几何大变形,建立压电自参数器件的力电耦合分布参数模型。为研究其非线性特性,采用等效结构法和多尺度法得到近似解析解。通过实验数据,验证了压电自参数器件的力电耦合分布参数模型近似解析解。解析解揭示了两种类型的运动:零梁变形(梁和基础结构的刚体运动)和非零梁变形(梁和基础结构之间的非线性相互作用)。对于非零梁变形情况,基础结构发生非线性饱和,振动得到有效抑制。给出了系统稳定边界。从稳定区域越过稳定边界到不稳定区域的中心,系统的运动依次经历周期运动、非周期运动和混沌。在不稳定区域,基础结构的控制变得无效。为实现稳定的宽带振动能量采集,提出了一种具有混沌控制功能的自参数内共振压电能量采集器。发现自参数振动能量采集器的混沌特性在引入非线性能量阱的系统中消失。具有非线性能量阱的自参数振动能量采集器的采集带宽度随着激励幅度的增加极大地加宽。非线性能量阱使单位加速度激发的压电自参振动能量采集器的最大平均功率提高了200%。针对智能输电线系统,提出了一种基于内共振的宽带压电吸振-俘能器,有效抑制了输电线路的微风振动,并为在线监测设备供电。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Acoustic energy harvesting enhanced by locally resonant metamaterials
通过局部谐振超材料增强声能收集
  • DOI:
    10.1088/1361-665x/ab8fcc
  • 发表时间:
    2020-07-01
  • 期刊:
    SMART MATERIALS AND STRUCTURES
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Ma, Ke-Jing;Tan, Ting;Zhang, Wen-Ming
  • 通讯作者:
    Zhang, Wen-Ming
Metamaterial and Helmholtz coupled resonator for high-density acoustic energy harvesting
用于高密度声能收集的超材料和亥姆霍兹耦合谐振器
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2020.105693
  • 发表时间:
    2021-04-01
  • 期刊:
    NANO ENERGY
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Ma, Kejing;Tan, Ting;Zhang, Wenming
  • 通讯作者:
    Zhang, Wenming
Dual-band piezoelectric acoustic energy harvesting by structural and local resonances of Helmholtz metamaterial
通过亥姆霍兹超材料的结构和局部共振收集双频压电声能
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2021.106523
  • 发表时间:
    2021-09-22
  • 期刊:
    NANO ENERGY
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Li, Tianrun;Wang, Zhemin;Tan, Ting
  • 通讯作者:
    Tan, Ting
Integration of Tapered Beam and Four Direct-Current Circuits for Enhanced Energy Harvesting From Transverse Galloping
锥形梁和四个直流电路的集成增强了横向舞动的能量收集
  • DOI:
    10.1109/tmech.2019.2932467
  • 发表时间:
    2019-10
  • 期刊:
    IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Wang Lingzhi;Tan Ting;Yan Zhimiao;Li Dezhi;Zhang Bin;Yan Zhitao
  • 通讯作者:
    Yan Zhitao
Enhanced low-velocity wind energy harvesting from transverse galloping with super capacitor
超级电容增强横向驰骋低速风能采集
  • DOI:
    10.1016/j.energy.2019.115915
  • 发表时间:
    2019-11-15
  • 期刊:
    ENERGY
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Tan, Ting;Hu, Xinyu;Zhang, Wenming
  • 通讯作者:
    Zhang, Wenming

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其他文献

鸦胆子中苦木素类成分及其生物活性
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    中成药
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴佳辉;何潇;熊紫微;谭婷;冯育林;杨世林;温泉;陈道峰
  • 通讯作者:
    陈道峰
四川盆地灯影组MVT型铅锌矿成矿金属元素的来源研究
  • DOI:
    10.19719/j.cnki.1001-6872.2021.04.07
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    矿物岩石
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谭婷;王国芝;彭瀚霖;黄竺;左林
  • 通讯作者:
    左林
气质联用和化学计量学比较不同品种和产地麝香挥发性成分组成
  • DOI:
    10.13422/j.cnki.syfjx.2018030049
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    中国实验方剂学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    蒋且英;罗云;谭婷;杨明;廖正根
  • 通讯作者:
    廖正根
银翘散不同煎煮时间指纹图谱及对金黄色葡萄球菌抑菌活性的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    中国药学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘月;顾永哲;罗云;谭婷;廖正根;杨明
  • 通讯作者:
    杨明
鸦胆子中黄酮及其抗炎、抗补体活性的研究
  • DOI:
    10.16333/j.1001-6880.2020.12.014
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    天然产物研究与开发
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    何潇;郭文静;吴佳辉;熊紫微;谭婷;冯育林;杨世林;温泉
  • 通讯作者:
    温泉

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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