1.一种L型压电能量采集器的非线性模型建立与验证分析方法,其特征在于:S1:构建L型能量采集器物理模型和压电片负载电路;
S2:建立坐标系,基于L型能量采集器物理模型,得到与L型能量采集器物理模型对应的L型能量采集器坐标分布简图;
S3:采用哈密顿原理推导L型能量采集器的能量采集系统的控制方程;
S4:采用高斯定律,得到压电片负载电路的电路方程,并结合电路方程得到降阶后的能量采集系统的控制方程;
S5:设定L型能量采集器物理模型的物理参数和几何参数,从L型能量采集器物理模型的物理参数和几何参数中获取L型梁结构的参数的物理参数和几何参数,并采用大型有限元通用软件ANSYS建立L梁结构有限元模型;
S6:验证L梁结构有限元模型的自振频率、时程响应和内共振响应,得到验证后的L梁结构有限元模型;
S7:分析外部负载电阻对验证后的L梁结构有限元模型的自振频率及阻尼比的影响,并分析负载电阻、激励频率和激励幅度对一阶、二阶主共振情况下系统能量采集和位移响应的影响;
步骤S1中构建L型能量采集器物理模型和压电片负载电路时,设:L型压电能量采集器包括L梁结构、第一个集中质量M1、第二个集中质量M2;L梁结构包括水平梁和竖向梁;
第一个集中质量M1固定在水平梁和竖向梁相交的拐角处;
第二个集中质量M2位于竖向梁上且其位置可以上下滑动;
压电片负载电路包括压电片和负载电阻R,压电片分别粘贴在水平梁的上下表面,与负载电阻R相连形成并联电路;
在步骤S2中,L型能量采集器坐标分布简图引进三个直角坐标系:O1x1y1;O2x2y2;
O3x3y3,三个坐标系用于描述水平梁和竖向梁的运动;
将水平梁及竖直梁视为三部分组成,其中水平梁为第一梁段、竖直梁视为第二梁段和第三梁段。
2.根据权利要求1所述的L型压电能量采集器的非线性模型建立与验证分析方法,其特征在于步骤4中压电片负载电路的电路方程为:R为负载电阻值;
V(t)为压电片由于变形所产生的电压;
hp为压电片的厚度;
hs1为第一梁段的厚度;
是恒定应变下的介电常数分量;
e31=Epd31为压电应力系数。
3.根据权利要求2所述的L型压电能量采集器的非线性模型建立与验证分析方法,其特征在于步骤S4中结合电路方程得到降阶后的能量采集系统的控制方程为:表示竖向加速度;
ζ1和ζ2分别表示系统前两阶机械阻尼比;
ω1和ω2分别表示系统前两阶圆频率;
表示电容;
横向振动位移vi(si,t)分离为空间变量φij(si)和时间变量qj(t):其中,φij(si)和qj(t)分别为系统的第j阶振形和模态坐标;能量采集系统的振形可以表示为:其中,
系数Aij、Bij、Cij和Dij为系统第j阶模态的系数;
s和r代表系统的模态数,δrs是Kroneckerδ函数,且δrs=1(r=s),δrs=0(r≠s);
mk、nk和ηl为无量纲系数。
4.根据权利要求1所述的L型压电能量采集器的非线性模型建立与验证分析方法,其特征在于在建立L梁结构有限元模型时,分别采用Beam188和Mss21单元来模拟梁结构和集中质量,通过“NLGEOM,ON”命令来考虑L型梁结构的几何非线性。