振動(dòng)能量采集與振動(dòng)控制序

張文明 趙林川 鄒鴻翔

* (上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

? (湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湖南湘潭 411104)

振動(dòng)是自然界中常見(jiàn)的現(xiàn)象,振動(dòng)超過(guò)一定限度時(shí),會(huì)對(duì)人體、設(shè)備和設(shè)施造成損傷.研究人員一般從兩個(gè)方面處理振動(dòng): 一方面采用振動(dòng)控制技術(shù),包括吸振、隔振、減振等,降低從振動(dòng)源傳輸?shù)街黧w的振動(dòng)能量;另一方面采用能量采集技術(shù),將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能,并儲(chǔ)存起來(lái)為低功耗電子設(shè)備供電,即能量的重新分配與利用.振動(dòng)能量采集與振動(dòng)控制具有相通的力學(xué)原理與方法.近年來(lái)研究者們對(duì)振動(dòng)能量采集與振動(dòng)控制進(jìn)行了深入研究,實(shí)現(xiàn)自供能傳感、重大裝備減振降噪、自反饋振動(dòng)控制等,促進(jìn)我國(guó)高端智能化裝備研制,助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn).

為了更好地利用振動(dòng),需要解決一些關(guān)鍵問(wèn)題,包括: (1)振動(dòng)激勵(lì)不穩(wěn)定導(dǎo)致輸出功率低、電能品質(zhì)低;(2)復(fù)雜振動(dòng)能量采集系統(tǒng)的建模方法與動(dòng)力學(xué)特性;(3)復(fù)雜工況下的振動(dòng)控制方法.圍繞上述問(wèn)題,《力學(xué)學(xué)報(bào)》組織了“振動(dòng)能量采集與振動(dòng)控制”這一專(zhuān)題.由于篇幅限制,該專(zhuān)題包含了 3 篇綜述論文和 12 篇研究論文,從振動(dòng)能量采集新方法、振動(dòng)系統(tǒng)建模方法、動(dòng)力學(xué)與俘能特性、復(fù)雜工況下的振動(dòng)控制等方面反映了“振動(dòng)能量采集與振動(dòng)控制”領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,供讀者參考.

上海交通大學(xué)趙林川、孟光和張文明,湖南工程學(xué)院鄒鴻翔和陳澤文撰寫(xiě)了《機(jī)械能量采集動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法》的綜述論文.構(gòu)建了機(jī)械能量采集動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法體系,包括激勵(lì)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(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的最新研究進(jìn)展,包括每類(lèi)動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的特點(diǎn)和典型設(shè)計(jì);最后,總結(jié)了動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的關(guān)鍵挑戰(zhàn),并預(yù)測(cè)了未來(lái)發(fā)展方向,為機(jī)械能量采集系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境激勵(lì)提供了新的動(dòng)力學(xué)調(diào)控視角,有益于促進(jìn)機(jī)械能量采集理論與技術(shù)的發(fā)展.

湖南工程學(xué)院鄒鴻翔、蘇昌勝和魏克湘,上海交通大學(xué)趙林川和張文明撰寫(xiě)了《波浪能量采集及自供能海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)研究進(jìn)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(wú)人機(jī)電系統(tǒng)和海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)的研究進(jìn)展,討論了目前自供能海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)并進(jìn)行展望,為解決海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)長(zhǎng)期有效供能難題提供多維度參考,推動(dòng)自供能傳感、控制與驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,助力海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用于深海遠(yuǎn)海.

河南大學(xué)黃浩博、曹迪、周志勇和杜文風(fēng)撰寫(xiě)了《基于渦激振動(dòng)的壓電風(fēng)能收集器研究進(jìn)展》的綜述論文.綜述了渦激振動(dòng)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(fēng)向風(fēng)能收集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混合風(fēng)能收集器設(shè)計(jì)等增強(qiáng)方案對(duì)渦激振動(dòng)風(fēng)能收集器性能的影響,為高性能渦激振動(dòng)能量收集器的設(shè)計(jì)提供參考,對(duì)渦激振動(dòng)風(fēng)能收集器面臨的關(guān)鍵問(wèn)題與難點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié),并對(duì)今后的研究方向和未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望.

西北工業(yè)大學(xué)李支援、呂文博、馬小青和周生喜撰寫(xiě)了《一種磁力滑動(dòng)式翼型顫振能量俘獲器》的研究論文.提出了一種磁力滑動(dòng)式翼型顫振能量俘獲器.基于半經(jīng)驗(yàn)非線性空氣動(dòng)力學(xué)模型并考慮與磁鐵位置相關(guān)的機(jī)電耦合系數(shù),建立了該能量俘獲器的動(dòng)力學(xué)模型,搭建了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái),制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī),在8.6 m/s 風(fēng)速下,實(shí)驗(yàn)中能量俘獲器的負(fù)載電阻接近線圈內(nèi)阻值時(shí)平均功率達(dá)到最大值7.5 mW.

湖南大學(xué)陳婷婷、王凱和周加喜,香港理工大學(xué)成利撰寫(xiě)了《準(zhǔn)零剛度驅(qū)動(dòng)式壓電低頻振動(dòng)能量采集方法》的研究論文.提出了一種準(zhǔn)零剛度驅(qū)動(dòng)式壓電振動(dòng)能量采集裝置,利用能量法得到壓電俘能單元的機(jī)電耦合方程,并用諧波平衡法獲得系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及電學(xué)響應(yīng)的解析表達(dá)式,探究了阻尼比、激勵(lì)幅值等參數(shù)對(duì)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及電學(xué)輸出的影響,加工了準(zhǔn)零剛度驅(qū)動(dòng)式壓電振動(dòng)能量采集裝置樣機(jī),測(cè)試了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與電學(xué)輸出,驗(yàn)證了理論結(jié)果的正確性.

西北工業(yè)大學(xué)毛新輝、張繼元、齊歡和陶凱,中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院邱長(zhǎng)泉和申維和,上海航天控制技術(shù)研究所田建國(guó),南方科技大學(xué)汪飛撰寫(xiě)了《利用斜齒離合升頻機(jī)制實(shí)現(xiàn)瓦級(jí)輸出的超低頻電磁式振動(dòng)能量收集器》的研究論文.提出了一種基于斜齒離合傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁式振動(dòng)俘能器以系統(tǒng)性解決輸出頻率低和能量轉(zhuǎn)化時(shí)間短的問(wèn)題,建立了機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究結(jié)果表明,單層發(fā)電模塊的峰值功率可達(dá)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(shí)現(xiàn)134 mW 平均輸出功率.

清華大學(xué)韓勤鍇、邵卿洋和褚福磊,米蘭理工大學(xué)高帥撰寫(xiě)了《擺式摩擦發(fā)電機(jī)非線性機(jī)電耦合建模研究》的研究論文.開(kāi)展了非線性機(jī)電耦合建模與參數(shù)敏感性分析,以推動(dòng)其向工程實(shí)用化方向發(fā)展,在摩擦發(fā)電機(jī)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(jī)電耦合模型,考慮非線性效應(yīng),模型預(yù)估的工作帶寬顯著增加(相對(duì)增量83%).

天津大學(xué)邱宏蘊(yùn)、王志霞、丁北和王煒撰寫(xiě)了《一類(lèi)雙層薄膜結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量采集器的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法及應(yīng)用》的研究論文.在已有稀疏非線性動(dòng)力系統(tǒng)辨識(shí)算法(SINDy)基礎(chǔ)上提出增強(qiáng)型稀疏篩選辨識(shí)算法(ESINDy),改進(jìn)了數(shù)據(jù)濾波模塊以強(qiáng)化其對(duì)于含噪信號(hào)的處理能力,研究了一類(lèi)雙層薄膜結(jié)構(gòu)電磁式振動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明: 相比于SINDy 算法,ESINDy 算法能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別該動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的信息,刻畫(huà)系統(tǒng)蘊(yùn)含的復(fù)雜振動(dòng)行為.

鄭州大學(xué)張野和王軍雷撰寫(xiě)了《基于翅片超表面鈍體的流致振動(dòng)俘能特性研究》的研究論文.為了增強(qiáng)普通圓柱的流致振動(dòng)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(duì)流致振動(dòng)俘能特性的影響.搭建了流致振動(dòng)俘能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(dǎo)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(dòng)力參數(shù)對(duì)其俘能特性的影響.建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型,仿真分析了不同鈍體的旋渦脫落模式和流場(chǎng)特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明翅片超表面能夠顯著改變鈍體的動(dòng)力學(xué)響應(yīng).

浙江理工大學(xué)潘俠圭、余寧和嚴(yán)博撰寫(xiě)了《不倒翁式電磁俘能器的非線性動(dòng)力學(xué)特性研究》的研究論文.引入了不倒翁機(jī)制與Halbach 磁鐵陣列,構(gòu)建了磁非線性力,設(shè)計(jì)了一種不倒翁式電磁俘能器,以實(shí)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(dǎo)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(lì)頻率與幅值等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響規(guī)律,研制了不倒翁式電磁俘能器原理樣機(jī),驗(yàn)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(xué)趙翔、袁銘澤和李映輝,深圳大學(xué)方仕童撰寫(xiě)了《基于自旋梁的壓電振動(dòng)能量采集與動(dòng)力學(xué)分析》的研究論文.提出了運(yùn)用格林函數(shù)法求解自旋梁壓電俘能器強(qiáng)迫振動(dòng)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(qiáng)迫振動(dòng)的力電耦合模型,采用Laplace 變換法求得耦合振動(dòng)方程的格林函數(shù)解,求得強(qiáng)迫振動(dòng)下自旋梁壓電俘能器的電壓解析解.數(shù)值計(jì)算中通過(guò)與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的解析解以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)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(xué)張曉宇和張旭輝撰寫(xiě)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(fù)力模型、磁力模型和動(dòng)力學(xué)模型,提取了采煤機(jī)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(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)模型中,分析了在不同磁距下的俘能特性,并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)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(dāng)在俘能特性較好的磁距下時(shí),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(xué)李卉、魏國(guó)崇、姚紅良和彭禧撰寫(xiě)了《手性超材料慣容吸振器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制研究》的研究論文.設(shè)計(jì)了一種具有簡(jiǎn)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(jìn)行有限元仿真分析,計(jì)算和驗(yàn)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(dòng)力學(xué)方程,對(duì)CIDVA-主系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)激勵(lì)下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制能力進(jìn)行了研究,并與鎖定CIDVA 進(jìn)行了對(duì)比.基于試驗(yàn)驗(yàn)證了CIDVA 對(duì)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(lì)下有效抑制主系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng),且相較于傳統(tǒng)動(dòng)力吸振器,能節(jié)省自身10 倍以上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

合肥工業(yè)大學(xué)王帥和孫磊,武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所吳君和鄭召利,北京理工大學(xué)付海嶺和畢傳興撰寫(xiě)了《失諧整體葉盤(pán)多模態(tài)振動(dòng)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(guò)設(shè)置多組匹配不同模態(tài)的吸振器,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(pán)-吸振器陣列系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)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(gè)數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)吸振器陣列減振性能的影響.搭建了吸振器陣列方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了吸振器陣列方法的效果.

西北工業(yè)大學(xué)張康宇、路寬、程暉、傅超和郭棟撰寫(xiě)了《基于共振轉(zhuǎn)換器的自主水下航行器動(dòng)力學(xué)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(dòng)-聲學(xué)模型,并通過(guò)尋找共振轉(zhuǎn)換器最佳設(shè)計(jì)參數(shù)使殼體產(chǎn)生的振動(dòng)聲輻射功率級(jí)最小,達(dá)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(dòng)響應(yīng),通過(guò)時(shí)域響應(yīng)、頻譜、分岔和幅頻響應(yīng)圖等后處理信號(hào)分析了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征,以殼體聲功率級(jí)作為代價(jià)函數(shù)并根據(jù)響應(yīng)分析結(jié)果,對(duì)共振轉(zhuǎn)換器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì).