浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所，浙江金华321004
针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题，提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器，主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成，钝体的弹性翼受风力影响产生形变，从而实现系统振动特性的自我调节，以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型，通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响，并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s，且当风速小于8 m/s时，弹性翼变形较小，系统以驰振为主，输出电压随风速增加而增大；当风速在8~17 m/s时，弹性翼形变量进一步增大，系统由驰振逐渐向涡振转变，输出电压变化较小；当风速在17~25 m/s时，钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状，系统以涡振为主，其振幅被有效控制，输出电压随风速增加而减小；存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此，该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。
压电俘能器 风致振动 可变形钝体 驰振 涡激振动 piezoelectric energy harvester wind-induced vibration deformable blunt body galloping vortex-induced vibration 光学 精密工程
2023, 31(24): 3570
1 浙江师范大学 工学院 精密机械研究所，浙江金华32004
2 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，浙江金华31004
为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性，提出一种换向激励式压电振动俘能器，它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向（环境振动方向），振动方向的转换通过磁力换向结构实现，换向结构使响应振幅不随外部激励的增加而一直增加，从而提高可靠性。建立了俘能器的动力学模型，通过数值仿真和实验获得了相关参数对其输出特性的影响。仿真和实验结果表明：激励频率小于20 Hz时，该两自由度系统存在两阶谐振频率使输出电压达到峰值，一阶为拾振器谐振频率，二阶为换能器谐振频率。随着拾振簧片长度和拾振质量的增加，一阶谐振频率升高，所对应的输出电压基本不变；二阶谐振频率基本不变，所对应的输出电压逐渐升高；工作频带变宽。当外部激励振幅达到阈值时，换能器的响应振幅被有效控制，输出电压不再随之增加，最佳负载电阻为540 kΩ，此时输出功率最大为0.4 mW。实际应用中可通过改变俘能器的结构参数调整谐振频率及输出电压，将响应振幅控制在安全区域内，以适应低频、宽带、高强度及大振幅的工作环境。
压电 振动俘能器 低频 换向激励 响应限幅 piezoelectric vibration harvester low-frequency commutation-excited response limits
浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所,浙江 金华 321004
为提高环境监测自供电系统的可靠性及风速适应性, 提出一种间接激励式压电风力俘能器, 通过圆柱型壳体与风场耦合作用产生的涡激振动间接激励壳体内的压电梁振动发电, 具有可靠性高、动态特性调节范围宽等优点。介绍了其结构及原理, 并进行了理论和试验研究。结果表明：壳体质量、压电梁质量对风力俘能器输出性能都有较大影响; 当俘能器总质量确定时, 试验范围内通过增加压电梁质量, 减小壳体质量可以有效提高压电俘能器的输出性能; 此外, 不同风速下存在最佳负载使输出功率最大, 且本文试验范围内输出功率及最佳负载均随风速增加而增大, 风速为28 m/s、电阻600 kΩ时所获得的最大输出功率为0.4 mW。因此, 应根据实际风速范围确定合理的压电梁质量/壳体质量以提高俘能器输出能力。
间接激励 压电发电 风力俘能器 indirect excited piezoelectric power generation wind energy harvester
浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所, 浙江 金华 321004
为提高旋转式压电发电机的安全性与有效带宽, 提出一种可调频旋磁激励式压电发电机, 并从理论、仿真与试验三个方面对发电机的工作特性进行了研究。建立了压电梁在端部外载荷作用下的刚度/频率偏移模型, 并通过仿真获得了刚度、动磁铁数量对发电机响应特性的影响规律。结果表明, 压电梁刚度随端部拉/压力的增大而线性增大/减小, 固有频率相应地提高且趋于平缓/降低且速率增大, 而动磁铁数量将影响发电机的谐振峰数量与放大比。在此基础上进行了相关试验, 试验表明, 压电梁受拉伸/压缩都将提高发电机的固有频率并降低输出电压幅值, 且受压时减幅更大; 此外, 动磁铁数量除仿真中影响因素外对发电机的固有频率也具有一定影响; 通过改变动磁铁数量与调节量, 实现了发电机固有频率在39.2~112 Hz内的调整, 最大频率偏移为185.7%。
压电俘能 旋磁激励 能量回收 变刚度 调频 piezoelectric power harvest rotating excitation energy harvester stiffness adjustment frequency adjustment
1 浙江师范大学工学院, 浙江 金华 321004
2 浙江飞亚电梯有限公司技术部, 浙江 金华 321002
本文设计了一种基于挤压-剪切混合模式磁流变离合器, 建立了用于测试其传动性能的实验装置。首先, 介绍了磁流变离合器的工作原理; 接着, 利用ANSYS有限元仿真分析软件分析了磁路的磁感应强度分布特性; 最后, 搭建了磁流变离合器的传动性能实验测试装置, 测试了磁流变离合器的静态传动性能和动态响应特性。实验结果表明: 转速对磁流变离合器的转矩影响不明显, 而电流和挤压应力对磁流变离合器转矩的影响比较大, 转矩随电流及挤压应力的增加而增加; 在1.0 A的电流和40 r/min的转速下, 挤压应力为150 kPa时, 挤剪式磁流变离合器的转矩可达到146 Nm, 比剪切模式下的磁流变离合器转矩提高了约6.6倍; 响应时间常数先随电流（电流小于0.6 A）的增加而减小, 而后受电流影响不明显; 响应时间随挤压应力和转速的增加而下降; 总体接合响应时间在77 ms以内。所研制的基于挤压-剪切混合模式的磁流变离合器传动性能良好, 控制灵敏。
磁流变液 离合器 挤剪式 转矩 响应时间 magnetorheological fluid clutch compression-shear mode torque response time
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
随着微纳器件应用领域的日益拓展, 微能源技术受到国内外研究人员的高度关注和重视, 其中利用涡激振动进行流体能量收集是主要的研究热点。本文首先介绍了基于涡激振动的流体能量收集原理, 归纳了涡激振动式微流体俘能器的典型结构、原理、特性和应用情况。其次, 总结了国内外基于尾涡致动和钝体致振这两种主要涡激振动流体俘能技术的发展概况与研究进展, 并简述了涡激振动压电式俘能器流固耦合数学模型的研究现状。最后, 指出涡激振动能量收集尚缺乏统一的数学模型以及现有的俘能器存在结构可靠性低、稳定性较差等问题。在此基础上, 分析了利用涡激振动实现流体能量收集接下来的发展趋势, 以期推动涡激振动式微流体俘能器的进一步发展与应用。
流体能 涡激振动 俘能器 压电 Fluid energy vortex-induced vibration energy harvester piezoelectricity
1 浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
2 吉林大学 机械科学与工程学院, 吉林 长春 130025
气泡滞留会严重地损害微型压电泵的输出性能, 因此减少气泡滞留将有效地提高压电泵系统的稳定性和可靠性。泵腔作为气泡滞留的主要区域, 同时是决定输出性能的重要元素, 所以改变腔高将对气泡滞留产生重要的影响。本文从气泡压力降和输出压力两个方面建立数学模型, 以此分析腔高对气泡滞留的影响规律, 最后通过气泡滞留实验进行验证。实验结果表明, 腔高为0.15 mm时, 压电泵具有优良的输出性能和排气泡能力, 在进入120个0.02 mL气泡后, 压电泵仍具有稳定的输出压力(8.1 kPa)和输出流量(4.2 mL/min); 腔高为0.05 mm和0.20 mm时, 压电泵在进入一个气泡后即丧失了工作能力, 排气泡能力差, 而腔高为0 mm和0.10 mm时, 压电泵分别进入47和70个气泡后丧失了工作能力。实验表明选取合理的腔高可以有效地减少气泡的滞留。
微型压电泵 腔高 气泡滞留 气泡压降 piezoelectric micro-pump chamber height bubble retention pressure drop
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
提出一种由压电梁及其端部附加质量构成的直激式压电风能捕获器。在考虑了压电振子静平衡变形的基础上, 根据涡激振动理论建立了柔性压电振子的自激振动理论模型并进行了仿真分析, 获得了压电梁厚度比、附加质量及风速对其发电性能的影响规律。结果表明, 存在最佳的压电梁厚度比使输出电压、电能及功率最大, 电压/电能/功率所对应的最佳厚度比分别为0.5/0.65/0.65。其它参数确定时, 存在最佳风速/附加质量使输出电压最大, 且最佳风速随附加质量增加而降低、最佳质量随风速增加而降低。制作了风能捕获器样机并进行了试验测试, 风速为4.8/7.2/10 m/s时, 对应的最佳附加质量及最大电压分别为15/11/7 g和1.9/3.94/6.18 V; 风速为10 m/s时, 10 g附加质量下的输出电压为0/20 g 附加质量下的4.1/1.2倍。结果证明根据实际风速范围确定合理的附加质量可提高发电能力。
压电风能捕获器 直激式风能捕获器 风速 发电性能 piezoelectric wind energy harvester blowing-type wind energy harvester wind speed electrical energy generation
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华, 321004
为进一步提高聚合物复合材料热导率, 采用多尺度数值预测法研究了微注塑聚酰胺/碳纤维（PA66/CFs）散热器内部CF的流动诱导取向及其对制品热导率的影响规律。首先, 利用Moldflow获取CF取向张量, 并以Comsol Multiphysics构建与之对应的复合材料微元胞。利用正交实验法研究熔体温度、模具温度、最大注射压力及注射流率对微散热器热导率的影响。然后, 对预测数据进行分析获得最优注塑参数组合。最后, 对优化结果进行模拟实验, 验证了多尺度数值预测法的有效性。结果显示：上述各参数重要程度由大到小依次排列为熔体温度、注射流率、最大注射压力和模具温度; 最佳组合为熔体温度360 ℃、模具温度70 ℃、最大注射压力220 MPa及注射流率3×10–4 cm3/s。 另外, 流动诱导热导率变化最大值达0.36 W/(m·K), 为基体热导率的1.5倍。得到的研究结果为从工艺调控的新角度来改善聚合物复合材料的导热性能提供了理论依据与数据支撑。
聚合物复合材料 微散热器 注塑成形 热导率 多尺度数值预测 polymer composite micro heat sink injection molding thermal conductivity multi-scale numerical prediction
