长柔压电梁振动俘能与形变感知研究

摘要

针对汽车运行时悬架系统因路面激励产生的振动能量未被有效利用、其振动状态缺乏监测的问题，提出了阵列式压电俘能与形变监测一体化装置的方案，实现了振动能回收利用及监测汽车状态。阵列压电装置是由一个悬臂梁和3个压电片构成，压电片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ沿直线分别粘贴在悬臂梁的根部、中部、靠近尾部的位置，利用压电效应将振动能转换成电能，并基于激振实验测得的多点电压，通过高斯数值积分与样条插值方法建立长柔悬臂梁挠度数学模型，进行数值仿真分析。结果表明：阵列压电装置的共振频率为19.6 Hz,输出电压随激振频率的增加先增大后减小，随激励加速度的增大而增大；悬臂梁根部的压电片Ⅰ输出开路电压最大，其在不同激励加速度下最大输出电压分别为8.08、6.59、4.13 V。在质量块和磁力分别作用下，共振频率均会减小，且输出电压增加。在质量块影响下，压电片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处最大输出电压相较于无质量块分别提升了31.19%、25.95%、52.78%,在磁力作用下，分别提升了45.92%、28.98%、55.21%。当加速度为2 m/s²时，长柔压电梁末端挠度实验结果为6.967 mm,数值仿真结果为6.964 mm,相对误差仅为0.43%,引入磁力后，相对误差最大为10.06%。该研究可为振动能量收集和汽车安全行驶提供参考。

关键词

悬臂梁 / 振动能量收集 / 压电梁 / 形变感知 / 阵列压电装置

基金资助

中国博士后科学基金资助项目(2025M771362); 国家自然科学基金资助项目(52075305); 山东省自然科学基金资助项目(ZR2022ME053)