黄怀纬 贺万里 曹亚军

(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640)

压电俘能器是一种利用压电材料的特殊性质将环境中的振动机械能转换为电能的结构[1- 6]。传统的压电俘能器多采用单自由度线性系统[7]，不仅俘能带宽很窄，而且很难适应低频随机的环境振动，因此应用范围非常有限[8- 9]。

现有的相关研究表明[10- 21]，施加轴向载荷是一种改善线性系统的有效途径。Leland等[10]研究了施加轴向载荷的简支梁俘能器，并利用轴向预载使俘能器的谐振频率降低了24%。Masana等[17- 19]对施加轴向载荷的压电梁进行了系统地研究，结果表明预屈曲情况下的能量效率优于小激励屈曲，更适合实际环境的弱振动。Rhimi等[20]基于哈密顿原理建立了预载压电梁的广义模型，并通过实验证明了施加8 N的轴向预载可使俘能结构的输出功率增加2.5倍。Harne等[21]利用仿生结构研究了具有轴向支撑弹簧的固支梁俘能器，结果表明，利用轴向载荷可以有效拓宽俘能频带并且提高平均输出功率。

如上所述，通过施加轴向载荷的方式，不仅可以降低俘能结构的谐振频率，还可以通过调节轴向载荷增加俘能带宽，更好地匹配随机的环境振动。然而，大多数理论研究的对象是施加轴向载荷的简支梁或固支-滑动支座梁，而且理论研究没有对开路电压和最优输出功率等重要参数作更深一步的分析探讨。因此，为了更好地揭示预载压电梁的俘能特性，本研究基于多尺度法，结合COMSOL Multiphysics仿真，对开路电压、最优输出功率、最优电阻等重要俘能参数进行了详细的理论研究和参数分析，以期为相应的预载压电梁的设计提供科学的指导。……