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[学位]

基于二维声子晶体缺陷调控的振动能量回收系统设计制造及性能研究

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Author:

殷爱平 (殷爱平.)

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学位论文库

Abstract:

声子晶体是一种能够控制特定频段弹性波传播的人造周期性复合结构。随着理论研究趋于成熟,声子晶体逐步走向应用。本文利用声子晶体的宽频隔振及其点缺陷汇聚特性设计新型能量回收系统。该新型能量回收系统能够实现广谱、大空间分布的振动能量收集,同时相比传统能量回收系统其具有高效隔离宽频振动的特性。研究了两种类型声子晶体的振动特性并优化布拉格声子晶体的材料和结构配置。研究发现布拉格型声子晶体较局域共振型声子晶体能更好的符合高衰减隔振需求;布拉格型声子晶体点缺陷处能够有效汇集振动,其当缺陷位置位于第二周期时,汇聚特性最佳。采用平面波算法结合遗传算法对声子晶体材料和单胞结构进行宽禁带目标优化,结果显示:高散射体和基体密度比能够增高低频宽禁带特性;散射体密度对低频特性的影响比基体密度影响大;散射体/基体的弹性常数比在[102,104]时,可以得到较好的低频宽禁带特性。同时还给出了优化后的散射体截面形状。研究了声子晶体制造工艺及其隔振和汇聚特性。对比硅胶制模和陶瓷制模工艺发现:对于复杂形状散射体制造,硅胶制模工艺制备样品易脱模、表面精度高。研究硅胶成型样件的尺寸收缩,确定模具设计补偿因子:整体为0.05,细节为0.013。对声子晶体的完美态测试结果显示:排除阻尼因素,由于禁带作用,声子晶体隔振器能够在禁带频率137-462Hz内将振动衰减为原始值的0.1%~0.01%。对点缺陷的研究发现:引入点缺陷后会在整体频率响应中形成一个窄通带,且该通带的频率不随缺陷位置变化而变化;实际测试中,排除阻尼影响,有缺陷时缺陷处的振动加速度约为无缺陷时1.5倍,共振频率为288Hz,证实制备的声子晶体缺陷具备汇聚功能。设计制造了能量回收系统并研究其隔振换能特性。首先,设计制造压电换能机构。实验结果显示该压电换能机构共振频率为285Hz、在外接电阻为200KΩ时具有最大功率输出能力;其次通过实验确定压电换能机构植入位置对输出电能的影响,并据此成型能量回收系统。最后通过能量回收系统发电效果测试发现:当压电换能机构位于第二周期时其达到最大输出电功率。对植入在点缺陷处压电换能机构实际产生的电压的峰值和有效值进行测量,分析结果显示,第二周期处的输出电功率约为1.68μW,其电压比第一和第三周期处的高2.1~8.3倍。

Keyword:

声子晶体能量回收点缺陷平面波算法遗传算法

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 王煜

Year: 2012

Language: Chinese

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 4

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