本文關(guān)鍵詞：薄片式Galfenol能量收集器的設(shè)計與研究

  更多相關(guān)文章： 振動能量收集 磁致伸縮材料 Galfenol 懸臂梁 單因素實驗 正交實驗

【摘要】：近年來隨著科技的發(fā)展,能源問題越來越受到各界專家和學(xué)者的密切關(guān)注,除了從根本上減少資源浪費,加大資源的利用效率外,發(fā)掘和利用新型能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不可再生資源已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點。機械振動能是眾多能量存在形式中覆蓋范圍最廣的能量形式之一,它不受氣候、時間和地域的影響,伴隨著也誕生了多種基于機械振動能的能量收集方式。傳統(tǒng)的能量收集技術(shù)有靜電式、電磁式和壓電式。隨著對磁致伸縮材料研究的深入,隨之誕生的磁致伸縮式能量收集技術(shù)也越來越受到專家學(xué)者們的關(guān)注。本文基于薄片狀磁致伸縮材料設(shè)計制作了一套振動能量收集器,并展開了相關(guān)研究。首先,對比了磁致伸縮材料相對于其它智能材料在能量收集領(lǐng)域的優(yōu)點,分析了利用磁致伸縮材料進行能量收集的基本原理。在眾多磁致伸縮材料中,著重對Galfenol和Terfenol-D進行了性能對比。由于前者具有良好的機械性能,能夠適應(yīng)不同的器件結(jié)構(gòu),而且不含稀土元素價格低廉。因此,將Galfenol作為本文研究所用的智能材料。其次,根據(jù)Galfenol的機電轉(zhuǎn)換原理得出其本構(gòu)關(guān)系,并引入了磁滯模型建立了Galfenol的磁化強度模型。再根據(jù)Jiles-Atherton模型、經(jīng)典的機電耦合模型、電磁感應(yīng)定律、電磁學(xué)原理得出Galfenol振動能量收集的數(shù)學(xué)模型。再次,基于懸臂梁結(jié)構(gòu)在能量收集技術(shù)方面的優(yōu)點(主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡單且易于微型化),本文設(shè)計的振動能量收集器的主體結(jié)構(gòu)即為懸臂梁結(jié)構(gòu)。對懸臂梁進行了彎曲振動分析和基座在簡諧激勵作用下的強迫振動分析,在此基礎(chǔ)上對四種形狀(矩形、梯形、三角形和雙曲線形)懸臂梁通過相關(guān)的理論計算進行了性能對比,并利用Ansys軟件對懸臂梁進行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,確定了懸臂梁的尺寸和固有頻率以及不同振動頻率作用下,裝置的輸出電壓的響應(yīng)情況。除此之外,還對裝置的其他部件進行了相關(guān)設(shè)計。通過Matlab軟件結(jié)合不同形狀懸臂梁的應(yīng)力應(yīng)變理論計算過程,對振動能量收集的數(shù)學(xué)模型進行模擬仿真輸出,在激振幅值為20um,激振頻率為其各自的一階固有頻率時,數(shù)學(xué)模型仿真輸出的感應(yīng)電壓峰峰值分別為145.7mV、177.8.4mV、225.3mV、279.7mV。最后,設(shè)計制作了實驗樣機,并對其分別進行了四種形狀懸臂梁樣機的輸出性能對比實驗、雙曲線式實驗樣機的單因素實驗和正交實驗。實驗結(jié)果表明四種懸臂梁形狀的實驗樣機中,雙曲線式能量收集器的輸出感應(yīng)電壓峰峰值最高,平均可達269.8mV;在單一因素實驗中,分別得出了激振頻率、激振幅值以及偏置磁場與雙曲線式實驗樣機的輸出感應(yīng)電壓峰峰值的關(guān)系;在正交實驗結(jié)果分析過程中,得出三個影響因素中激振幅值對實驗樣機的輸出性能影響程度最為顯著。
【關(guān)鍵詞】：振動能量收集 磁致伸縮材料 Galfenol 懸臂梁 單因素實驗 正交實驗
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB381;TB535
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-19
• 1.1 課題研究背景與意義10
• 1.2 振動能量收集技術(shù)的研究現(xiàn)狀10-16
• 1.2.1 電磁式能量收集技術(shù)10-12
• 1.2.2 壓電式能量收集技術(shù)12-13
• 1.2.3 靜電式能量收集技術(shù)13-15
• 1.2.4 磁致伸縮式能量收集技術(shù)15-16
• 1.3 課題研究內(nèi)容論文工作安排16-19
• 1.3.1 課題的主要研究內(nèi)容16-17
• 1.3.2 論文撰寫工作安排17-19
• 第二章 薄片式Galfenol振動能量收集數(shù)學(xué)模型的建立19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 Galfenol振動能量收集的基本原理19-26
• 2.2.1 磁致伸縮材料及其基本性能19-20
• 2.2.2 Galfenol的性能概述20
• 2.2.3 Galfenol的機電轉(zhuǎn)換原理20-23
• 2.2.4 Galfenol的本構(gòu)關(guān)系23-24
• 2.2.5 Galfenol的磁化強度模型24-26
• 2.3 薄片式Galfenol振動能量收集的數(shù)學(xué)模型26-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第三章 薄片式Galfenol能量收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計28-49
• 3.1 引言28
• 3.2 梁的彎曲振動分析28-35
• 3.2.1 梁的動力平衡方程及振型函數(shù)28-31
• 3.2.2 能量收集器基座在簡諧激勵作用下的強迫振動分析31-35
• 3.3 振動能量收集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計35-46
• 3.3.1 振動能量收集器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計35-36
• 3.3.2 懸臂梁的設(shè)計36-43
• 3.3.3 感應(yīng)線圈骨架的設(shè)計43-44
• 3.3.4 感應(yīng)線圈的設(shè)計44-45
• 3.3.5 偏置磁場的設(shè)計45-46
• 3.4 薄片式Galfenol能量收集器的仿真分析46-48
• 3.5 本章小結(jié)48-49
• 第四章 薄片式Galfenol能量收集器的實驗研究49-62
• 4.1 引言49
• 4.2 能量收集器的樣機制作49-50
• 4.3 實驗平臺的搭建50-52
• 4.3.1 實驗原理50-51
• 4.3.2 實驗平臺的組成與搭建51-52
• 4.4 實驗設(shè)計與分析52-61
• 4.4.1 實驗設(shè)計52-53
• 4.4.2 不同形狀懸臂梁實驗與結(jié)果分析53-54
• 4.4.3 單因素變化實驗與結(jié)果分析54-56
• 4.4.4 正交實驗與結(jié)果分析56-61
• 4.5 本章小結(jié)61-62
• 第五章 總結(jié)與展望62-64
• 5.1 論文總結(jié)62-63
• 5.2 研究展望63-64
• 致謝64-65
• 參考文獻65-70
• 附錄 作者在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參加的科研項目70

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本文編號：833832