张骁 沈辉 丁晓亮 曲鹏超

摘要：针对传统双稳态压电俘能器在低幅值激励下不易进行高能阱间运动的问题，设计了一种耦合双梁的非线性压电俘能器。利用集中参数法对系统进行了数学建模。对传统双稳态俘能器与本文所设计的俘能器进行了数值仿真，对比分析了两者在简谐激励与线性升频激励下的动态响应及俘能性能。仿真分析结果表明，通过调整系统结构参数，该非线性俘能器在工作频带内能够达到最大的平均功率。

关键词：非线性;压电俘能器;双稳态;磁力;弹簧

中图分类号：TN384

文献标志码：A

收稿日期：2020-09-07

基金项目：

山东省自然科学基金面上项目（批准号：ZR2017MEE039）资助。

通信作者：

沈辉，男，博士，副教授，主要研究方向为压电能量收集技术。E-mail： shenhui@qdu.edu.cn

通过压电俘能器收集环境中的振动能量来为无线传感器以及微机电系统供能具有很好的前景[1]。自然界中的振动往往不是固定在某个频率振动，而是在一个比较宽的振动频带下振动[2]。针对传统线性悬臂梁结构工作频带窄的问题，国内外学者做了大量的研究[3-7]。近些年来，有学者将目光转向非线性结构[8]，通过非线性磁力使压电悬臂梁系统呈现出双稳态。但是传统的双稳态系统需要较大的加速度激励，在低加速度幅值激励下只能在某个稳态振动（势能阱内运动），不能产生高能的阱间运动，俘能表现不佳[9]。本文在传统双稳态系统的基础上，设计了一种耦合双梁的非线性压电俘能器（Coupled Nonlinear Piezoelectric Energy Harvester，CNPEH），通过耦合弹簧有效降低了系统进行跨阱运动所需的最低加速度激励幅值。……