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基于磁致伸缩材料的振动能量采集研究

郭岩  
【摘要】:近些年,能源危机一直是人类所面对的一个难题,寻找清洁能源是科研人员研究的重点。另一方面,随着无线网络节点技术的蓬勃发展,解决其因电池技术发展滞后而带来的自供能问题也越来越多的得到科研人员重视。研究基于磁致伸缩材料的振动能量采集研究对这两个问题的解决具有重要意义。 本文首先回顾了磁致伸缩材料的研究现状与发展历程,比较了磁致伸缩材料相较于其他功能性材料的优点,并且因为Galfenol相较于Terfenol-D而言,机械强度高,适于多种机械结构,决定以Galfenol材料为基础进行振动能量采集装置的研究。简要分析了本构关系模型的研究现状,着重介绍了具有三维特性的Armstrong模型,然后基于此模型建立了Galfenol的一系列力磁耦合特性曲线,为本课题的研究打下了基础。 然后,根据悬臂梁式结构更加易于小型化的特点,本文确立了以悬臂梁结构作为振动能量采集装置设计的基础,对这种结构进行了受力的稳态分析,并且研究了在自由端受力以及固定端受振动这两种情况下悬臂梁的运动方程,根据运动方程求得不同时刻悬臂梁上各个点的应变分布以及应力分布,为应用力磁耦合特性模型打下了基础。 最后,本文给出了振动能量采集装置的结构与尺寸,并且根据这一尺寸把悬臂梁在自由端正弦力激励下与固定端加速度激励下的不同时刻的各点应力分布与Galfenol的力磁耦合特性结合到一起,进行了振动能量采集装置的仿真与分析。结果表明在频率5Hz,幅值0.1N正弦力作用下,其电压输出峰值可达0.8V,而在频率222Hz,加速度3g的加速度激励下,电压输出峰值可达5V。


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