[發(fā)明專利]一種懸臂梁式非線性三穩(wěn)態(tài)裝置及其應(yīng)用

無效

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• 申請日: 2014-06-20
• 公開（公告）號: CN104079206A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹軍義;周生喜;林京;曹秉剛;劉勝勝;王偉
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于非線性動力學(xué)、阻尼隔振、振動能量俘獲技術(shù)領(lǐng)域；具體涉及一種懸臂梁式非線性三穩(wěn)態(tài)裝置及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

近年來，隨著科技的發(fā)展，非線性問題出現(xiàn)在許多學(xué)科及工程環(huán)境中。非線性動力學(xué)聯(lián)系到許多學(xué)科，如力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、甚至某些社會科學(xué)等。非線性動力學(xué)的三個主要方面：分叉、混沌和孤立子。事實上，這不是三個孤立的方面。在研究非線性動力學(xué)現(xiàn)象和理論方面，雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)這一種經(jīng)典系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用到理論研究和工程應(yīng)用，例如雙穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)、雙穩(wěn)態(tài)振蕩器、雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光二極管等等。然而，非線性動力學(xué)特性更復(fù)雜并且有這廣泛應(yīng)用前景的三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)受到研究和關(guān)注要少得多，原因之一在于三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)比較復(fù)雜，設(shè)計起來相對困難。三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)是指具有三個穩(wěn)態(tài)平衡點和兩個不穩(wěn)態(tài)平衡點的系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有學(xué)術(shù)價值還具體廣泛的應(yīng)用潛力。首先，隔振技術(shù)是工程中的一個關(guān)鍵技術(shù)，其原理是利用彈性支撐使一系統(tǒng)降低對外加激勵起響應(yīng)的能力。將振動源與地基的剛性聯(lián)接改為彈性聯(lián)接，能隔絕或減弱振動能量的傳遞，從而實現(xiàn)減振降噪的目的。為使產(chǎn)品在運輸過程中減少振動的損害，也需要采取隔振措施，三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)具有豐富的動力學(xué)特征，如果能夠把懸臂梁式非線性三穩(wěn)態(tài)裝置所具體的獨特動力學(xué)特性用來耗散掉部分振動能量，將在一定程度上提高當前的阻尼減振、隔振技術(shù)等。

其次，三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)在振動能量俘獲領(lǐng)域也具有相當?shù)貞?yīng)用潛力。振動能量無處不在，日常生活中的橋梁、車輛、轉(zhuǎn)子設(shè)備、路面、人體的運動和器官的活動等都存在大量的振動能量，這些振動能量相對穩(wěn)定且廣泛存在。如果能將周圍環(huán)境中的振動能量有效俘獲為電能，就可以用來替代電池或者對電池進行充電。這樣一來，就可以解決便攜式電子設(shè)備和無線傳感器供電問題，特別是嵌入到建筑物、橋梁的狀態(tài)監(jiān)測傳感器和地點不確定的目標追蹤傳感器等特殊用途的傳感器，更換電池的代價都很高甚至是不可能完成的工作。在振動能量俘獲領(lǐng)域，懸臂梁式能量俘獲系統(tǒng)具有能量密度高、裝置簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，被廣泛研究和使用。然而，傳統(tǒng)的線性懸臂梁系統(tǒng)共振頻帶過窄，與周圍環(huán)境振動頻率匹配較差，俘獲的能量嚴重受限于周圍環(huán)境，俘獲能量的效率比較低，得到的可利用的電能卻十分有限，在很多情況下都很難充分滿足實際需求，這也成為了壓電能量俘獲在應(yīng)用中的瓶頸。如何改變系統(tǒng)的動力學(xué)特性、有效拓寬其諧振頻帶一直是研究的熱點和難點。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種懸臂梁式非線性三穩(wěn)態(tài)裝置及其應(yīng)用，機構(gòu)簡單、實用，以便更好地研究三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的動力學(xué)特性并探索這種系統(tǒng)的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用潛力。

為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種懸臂梁式非線性三穩(wěn)態(tài)裝置，包括懸臂梁2，懸臂梁2上端和上梁1連接，一個及以上的內(nèi)部磁鐵3固定在懸臂梁2的下端，在懸臂梁2的正下方設(shè)有下梁4，二個及以上的外部磁鐵5連接在下梁4上，內(nèi)部磁鐵3、外部磁鐵5為永磁鐵或者電磁鐵，上梁1與下梁4之間的相對位置能夠調(diào)整。

所述的懸臂梁2的形狀是任意形狀，包括矩形梁、三角形梁、梯形梁、變橫截面積及厚度的梁。

所述的懸臂梁式非線性三穩(wěn)態(tài)裝置的非線性回復(fù)力測量方法，包括以下步驟：將力測量儀器連接到懸臂梁2上，測量出懸臂梁2處于不同位置時所受的非線性回復(fù)力，并采用相應(yīng)的表達式進行擬合，表達式包括多項式方程、分式和指數(shù)方程。

所述的懸臂梁式非線性三穩(wěn)態(tài)裝置的能量俘獲方法，包括以下步驟：

第一步，在懸臂梁2根部附近粘貼壓電陶瓷或者壓電薄膜6，構(gòu)成壓電懸臂梁，在壓電懸臂2梁端部連接兩塊內(nèi)部磁鐵3，內(nèi)部磁鐵3為永磁鐵，在下梁4上連接兩塊外部磁鐵5，外部磁鐵5為永磁鐵，將上梁1和下梁4采用梁件7連接；

第二步，調(diào)節(jié)壓電懸臂梁與外部磁鐵5的相對位置，包括x，y，z三個方向的距離和三個方向的角度，使得壓電懸臂梁處于三穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，即得到三穩(wěn)態(tài)振動能量俘獲裝系統(tǒng)；

第三步，在x方向施加基礎(chǔ)激勵，三穩(wěn)態(tài)振動能量俘獲裝系統(tǒng)開始工作。

本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明的三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)相比線性系統(tǒng)，具有更寬的振動頻帶，因此，三穩(wěn)態(tài)振動能量俘獲系統(tǒng)可以解決當前線性懸臂梁式振動能量俘獲系統(tǒng)共振頻帶過窄等問題，機構(gòu)簡單、實用，以便更好地研究三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的動力學(xué)特性并探索這種系統(tǒng)的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用潛力。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為三穩(wěn)態(tài)振動能量俘獲裝系統(tǒng)的原理圖。