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第1章 概述1

1.1 无线传感器节点自主供电需求1

1.1.1 无线传感器网络技术发展与应用1

1.1.2 物联网技术发展与应用3

1.1.3 无线传感器节点低功耗技术进展5

1.1.4 能量俘获技术发展与分类7

1.2 压电式振动能量俘获系统概述9

1.2.1 压电式振动能量俘获系统基本组成9

1.2.2 压电式振动能量俘获关键技术分析10

1.3 压电式振动能量俘获技术研究进展10

1.3.1 从线性机理到非线性机理10

1.3.2 从窄频带到宽频带振动能量俘获11

1.3.3 从直线振动到旋转运动能量俘获14

1.3.4 从常规压电发电结构到超材料结构17

1.4 本书基本结构与主要贡献19

1.4.1 本书基本结构19

1.4.2 本书主要贡献21

第2章 压电式振动能量俘获基础知识22

2.1 引言22

2.2 压电效应23

2.2.1 压电陶瓷基本性能参数23

2.2.2 正／逆压电效应25

2.2.3 压电方程26

2.3 压电式振动能量俘获结构形式28

2.3.1 压电振子基本结构28

2.3.2 压电振子振动模式30

2.4 悬臂梁压电式振动能量俘获基本原理31

2.4.1 悬臂梁压电发电机31

2.4.2 压电式振动能量捕获接口电路33

第3章 线性压电式振动能量俘获系统理论建模与分析39

3.1 引言39

3.2 悬臂梁线性压电式振动能量俘获系统集中参数建模39

3.2.1 外接纯电阻40

3.2.2 外接标准全波整流电路42

3.2.3 外接并联同步开关接口电路45

3.3 悬臂梁线性压电式振动能量俘获系统分布式参数建模48

3.3.1 悬臂梁压电振子机电耦合行为分布式参数建模48

3.3.2 谐波振动激励下悬臂梁压电振子分布式参数模型求解51

3.4 不同形状悬臂梁压电振子振动发电行为分析54

第4章 线性压电式振动能量俘获系统有限元建模与仿真58

4.1 压电分析有限元仿真概述58

4.2 线性悬臂梁压电发电机有限元建模59

4.2.1 基于ANSYS的悬臂梁压电发电机有限元建模59

4.2.2 基于COMSOL的悬臂梁压电发电机有限元建模62

4.3 开路情况下线性悬臂梁压电振子仿真分析66

4.3.1 悬臂梁压电振子静力学分析66

4.3.2 悬臂梁压电振子模态分析70

4.4 不同形状悬臂梁压电振子发电能力仿真分析73

第5章 非线性压电式振动能量俘获系统理论建模与分析75

5.1 引言75

5.2 非线性压电式振动能量俘获系统通用模型及其求解76

5.2.1 非线性压电式振动能量俘获系统通用模型76

5.2.2 非线性压电式振动能量俘获系统数值计算算法78

5.3 不同非线性参数对非线性压电式振动能量俘获系统特性的影响80

5.3.1 非线性刚度系数的影响81

5.3.2 非线性阻尼系数的影响81

5.3.3 非线性压电耦合系数的影响82

5.3.4 振动激励幅值的影响83

5.3.5 负载电阻的影响85

5.4 外加磁力非线性压电式振动能量俘获系统建模与数值计算方法87

5.4.1 外加磁力非线性压电式振动能量俘获系统机电耦合模型87

5.4.2 外加磁力非线性压电式振动能量俘获系统模型数值计算算法88

5.4.3 外加磁力非线性压电式振动能量俘获系统的非线性势函数89

5.5 基于混沌动力学的非线性压电式振动能量俘获系统宽频带条件91

5.5.1 Melnikov理论简介91

5.5.2 非线性压电式振动能量俘获系统的Melnikov状态空间模型93

5.5.3 非线性增强压电式振动能量俘获系统宽频带机理94

5.5.4 基于Melnikov函数的非线性压电式振动能量俘获系统宽频带必要条件95

5.5.5 非线性压电式振动能量俘获系统宽频带必要务件数值仿真分析98

第6章 非线性压电式振动能量俘获系统有限元建模与仿真105

6.1 引言105

6.2 外加磁力非线性压电振子有限元建模与网格划分105

6.2.1 非线性压电振子参数化建模106

6.2.2 非线性压电振子材料参数设置107

6.2.3 非线性压电振子边界条件约束108

6.2.4 非线性压电振子载荷施加114

6.2.5 非线性压电振子网格剖分115

6.3 非线性磁力拟合与施加119

6.4 非线性压电式振动能量俘获系统响应仿真分析122

6.4.1 开路条件下非线性压电式振动能量俘获系统输出电压的频响特性122

6.4.2 外接负载电阻时非线性压电式振动能量俘获系统输出电压的频响特性123

6.5 不同参数对非线性压电式振动能量俘获系统性能的影响仿真分析124

6.5.1 磁铁间距的影响124

6.5.2 悬臂梁压电振子几何尺寸的影响125

6.5.3 负载电阻的影响126

第7章 旋转运动非线性压电式能量俘获系统理论建模128

7.1 引言128

7.2 非线性旋转压电振子动力学分析130

7.3 旋转运动非线性压电式能量俘获系统机电耦合模型133

7.4 旋转运动非线性压电式能量俘获系统宽频带机理134

7.4.1 旋转运动非线性压电式能量俘获系统Melnikov状态空间模型135

7.4.2 旋转运动非线性压电式能量俘获系统宽频带形成机理136

7.5 旋转运动非线性压电式能量俘获系统宽频带量化条件138

第8章 旋转运动非线性压电式能量俘获系统仿真分析142

8.1 旋转运动非线性压电式能量俘获系统数值计算方法142

8.1.1 基于有限差分法的数值计算方法142

8.1.2 基于龙格－库塔法的数值计算方法143

8.1.3 两种数值计算方法比较144

8.2 不同参数对旋转运动非线性压电式能量俘获系统特性的影响数值分析145

8.2.1 旋转运动非线性压电式能量俘获系统势函数146

8.2.2 单频旋转运动下不同参数对系统输出特性的影响分析147

8.2.3 宽带旋转运动下不同参数对系统输出特性的影响149

8.3 旋转运动非线性压电式能量俘获系统宽频带量化条件数值分析157

8.3.1 无扰动旋转运动非线性压电式能量俘获系统的势函数158

8.3.2 无扰动旋转运动非线性压电式能量俘获系统的同宿轨线160

8.3.3 同宿分叉和混沌运动的Melnikov量化必要条件仿真161

8.3.4 单频和宽频旋转运动时系统的输出特性164

8.4 旋转运动非线性压电式能量俘获系统有限元仿真分析167

8.4.1 基于COMSOL的旋转非线性压电振子参数化有限元建模168

8.4.2 旋转非线性压电振子边界约束与载荷设置169

8.4.3 宽带旋转运动下非线性压电俘能特性有限元仿真分析170

8.4.4 单频旋转运动下非线性压电俘能特性有限元仿真分析173

第9章 压电式振动能量俘获全系统耦合建模与仿真176

9.1 引言176

9.2 压电式振动能量俘获全系统等效电路耦合模型178

9.3 基于Multisim的振动能量俘获全系统等效电路耦合模型仿真分析181

9.3.1 自供电电子开关电路181

9.3.2 基于Multisim的全系统等效电路耦合模型构建183

9.3.3 基于Multisim的全系统等效电路耦合模型仿真分析184

9.4 压电式振动能量俘获全系统有限元耦合模型187

9.4.1 标准桥式整流接口电路等效阻抗推导187

9.4.2 并联同步开关接口电路等效阻抗推导189

9.4.3 全系统有限元耦合模型190

9.5 基于COMSOL的振动能量俘获全系统有限元耦合模型仿真分析192

9.5.1 基于COMSOL的全系统有限元耦合模型构建192

9.5.2 基于COMSOL的全系统有限元耦合模型仿真分析193

9.6 基于全系统耦合模型的并联同步开关接口电路关键参数全局优化195

第10章 压电式振动能量俘获实验测试197

10.1 引言197

10.2 轴承实验台悬臂梁压电振子振动发电实验测试197

10.2.1 轴承实验台与测试系统构建197

10.2.2 矩形悬臂梁压电振子振动发电行为实验测试199

10.2.3 不同形状悬臂梁压电振子振动发电行为实验测试203

10.3 旋转运动压电振子振动发电实验测试205

10.3.1 旋转实验台与测试系统构建205

10.3.2 单频旋转运动时非线性压电振子振动发电行为实验测试206

10.3.3 宽带旋转运动时非线性压电振子振动发电行为实验测试209

参考文献212