基于声学黑洞效应的宽频压电振动能量回收技术研究

论文摘要

声学黑洞效应作为一种新型的波操纵技术,可以有效地降低结构中弹性波的传播速度,进而减小边界的反射,并在结构中形成具有高能量密度的区域,因此在振动能量回收方面有着广阔的应用前景。目前基于声学黑洞效应的能量回收研究没有考虑压电片尺寸对于回收效率的影响,且结构设计不能满足工程实际应用需求,回收元件与ABH效应之间的耦合关系等基础问题也没有充分的分析和解决。针对以上问题,本文运用数值仿真和实验的方式对基于声学黑洞效应的压电振动能量回收进行了全面详细的探究。本文的研究工作主要包括:第一,针对ABH结构中弹性波波长压缩的特点,合理设计了压电能量回收系统,解决了不考虑波长情况下回收效率低下的问题。建立了ABH压电振动能量回收全耦合数值仿真模型,从时域和频域的角度揭示了ABH波传播过程和ABH效应形成机制,全面分析了系统的瞬态和稳态能量回收性能。通过实验验证了ABH压电振动能量回收的优越性能。第二,建立了一套解决ABH结构和压电物理场耦合情况下波传播特性问题的力学建模与分析方法,获得了回收电路以及压电功能元件的附加质量、附加刚度和压电常数对于弯曲波操纵(聚集、转移和耗散)效率的影响规律。第三,提出了适用于工程实际应用场合的复合ABH结构构型,兼顾了良好的能量聚集特性和结构的静力学强度。针对实际应用构想建立了简化模型,详细分析了ABH子系统与主结构之间的耦合关系。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 压电能量回收研究现状
•   1.3 声学黑洞效应研究现状
•     1.3.1 声学黑洞理论研究
•     1.3.2 基于声学黑洞效应的振动噪声控制
•     1.3.3 基于声学黑洞效应的振动能量回收
•   1.4 本文的研究意义及主要研究工作
• 第二章 基于声学黑洞效应的压电能量回收结构设计
•   2.1 引言
•   2.2 压电振动能量回收基本原理
•   2.3 压电材料工作原理
•     2.3.1 压电效应
•     2.3.2 压电方程
•   2.4 一维ABH中弹性波传播机理
•     2.4.1 几何声学理论
•     2.4.2 一维嵌入式ABH结构的波传播特性
•   2.5 声学黑洞能量回收结构优化设计
•   2.6 本章小结
• 第三章 一维复合声学黑洞梁宽频能量回收特性研究
•   3.1 引言
•   3.2 COMSOL有限元模型建模与仿真
•     3.2.1 模型设定
•     3.2.2 能量回收系统
•     3.2.3 求解器设置
•   3.3 时域宽频瞬态ABH能量回收性能
•     3.3.1 加载方式与边界条件
•     3.3.2 梁的结构振动形式
•     3.3.3 ABH梁的能量回收功率
•   3.4 频域稳态ABH能量回收性能
•     3.4.1 结构振动形式与能量聚集效应
•     3.4.2 ABH能量回收性能
•   3.5 ABH稳态能量回收实验
•     3.5.1 实验件
•     3.5.2 实验平台
•     3.5.3 能量回收性能评估
•   3.6 本章小结
• 第四章 一维复合声学黑洞梁的影响参数分析
•   4.1 引言
•   4.2 压电片尺寸对回收性能的影响分析
•   4.3 负载阻值对回收功率的影响分析
•   4.4 压电片与ABH之间的耦合影响分析
•     4.4.1 分析模型建立
•     4.4.2 压电片的刚度对于ABH效应的影响
•     4.4.3 压电片的质量对于ABH效应的影响
•     4.4.4 压电片的压电常数对于ABH效应的影响
•   4.5 能量回收系统与ABH之间的耦合影响分析
•   4.6 不同压电元件的回收功率比较
•   4.7 本章小节
• 第五章 一维复合ABH能量回收工程应用初步研究
•   5.1 引言
•   5.2 一维复合ABH能量回收结构优化设计
•     5.2.1 一维复合ABH框架结构
•     5.2.2 ABH框架稳态振动特性分析
•   5.3 工程应用构想
•     5.3.1 应用背景
•     5.3.2 模型简化
•     5.3.3 稳态振动特性分析
•     5.3.4 ABH框架能量回收性能评估
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梁玉坤

导师: 季宏丽

关键词: 声学黑洞,压电效应,能量回收,弹性波操纵,波传播,数值仿真

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,电力工业

单位: 南京航空航天大学

基金: 国家自然科学基金(51775267),国家自然科学基金重点项目(11532006),杰出人才培育基金项目(NE2015001),六大人才高峰C类(JXQC-002),江苏省自然科学基金面上项目(BK20181286)

分类号: TM619;O422

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000623

总页数: 89

文件大小: 3288K

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