翼型颤振压电俘能器的输出特性研究1)

田海港 单小彪 张居彬 隋广东 谢 涛

(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨 150001)

引言

振动能量俘能器是被认为一种有潜力、能替代的能量源，能够有效持续为低功率微机电系统供能[1-3].振动-能量转换机理通常包括压电式[4-5]、电磁式[6]、静电式[7]和摩擦电式[8-9].由于压电式在易制作、高能量密度和无电磁干扰等方面具有巨大优势，已经成为国内外学者研究的热点.

流激振动广泛存在于自然环境中，蕴涵巨大的能量，包括涡激振动[10-11]、尾流激振[12-13]、颤振[14-15]和驰振[16-17].其中颤振是一种自激励、大幅值的气动弹性振动.当来流风速超过临界颤振速度时，压电俘能器发生颤振，并出现极限环振荡(limit cycle oscillations，LCO).学者利用翼型颤振俘获能量已经进行了理论和实验研究.Wang 和Inman[18]提出了一个同时能量俘获和振动抑制的压电多功能翼型梁，并获得了较好的结果.Abdelkefi 等[19-20]研究了含有间隙非线性翼型压电俘能器，表明间隙能降低颤振速度.Benjamin 和Bryant[21]实验研究了两个串行机翼的振动特性，获得了LCO 和涡旋特性.Wu 等[22]提出了双沉浮的翼型颤振压电俘能器，利用动态失速模型研究了动力学响应特性.Li 等[23]在翼型压电俘能器上采用非线性磁力，用于降低临界速度和拓宽频带，从而提升了俘获性能.

在二自由度沉浮-俯仰振动压电俘能器系统中，采用的气动力模型通常包括准静态[24]、非定常[25-26]和动态失速模型[27-28].De Marqui 和Erturk[29]采用非定常模型推导了翼型压电俘能器的压电-气动弹性振动无量纲方程……