张伟 刘 爽 毛佳佳,2) 黎绍佳 曹东兴

* (北京工业大学材料与制造学部,机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室,北京 100124)

† (香港理工大学土木及环境工程学系,香港九龙 999077)

引言

随着微机电系统、自供电无线传感网络、低功耗电子设备以及物联网的快速发展,振动能量俘获技术近年来受到了广泛关注,已经成功应用在航空航天工程、机械工程、生物医学工程以及众多可持续能源工程等领域中[1-3].根据俘能器对振动能量的不同转换机制,振动俘能器可以分为静电式[4]、电磁式[5]、压电式[6-7]、磁致伸缩式[8]、摩擦起电式[9-10]等.由于结构简单、便于组装,并且具有较高的能量转换率,压电式、磁电式以及压电-磁电耦合的振动俘能器的动力学行为及其俘能特性已成为国内外研究的热点之一.

传统的线性振动俘能器的工作效率过于依赖自身的共振频率,微小的制备误差便可能导致系统的输出功率急剧下降[11];并且,传统的振动俘能器工作频带过窄,无法与环境中随机、宽频的振动频率匹配,导致不能实现预期的俘能效果[2].为了提高振动能量俘获系统的效率和实用性,急需设计能够与环境振动特征相匹配的振动能量俘获结构[1],实现低频宽带的俘能效果.

非线性系统复杂的动力学行为[12-15]为拓宽振动俘能器的工作频带,提高振动俘能器的效率提供了新思路,越来越多的学者将具有非线性刚度[16-18]特征的结构引入振动俘能器中,形成具有非线性单稳……