[发明专利]一种悬臂梁式非线性三稳态装置及其应用

说明书

技术领域

本发明属于非线性动力学、阻尼隔振、振动能量俘获技术领域；具体涉及一种悬臂梁式非线性三稳态装置及其应用。

背景技术

近年来，随着科技的发展，非线性问题出现在许多学科及工程环境中。非线性动力学联系到许多学科，如力学、数学、物理学、化学、工程学、甚至某些社会科学等。非线性动力学的三个主要方面：分叉、混沌和孤立子。事实上，这不是三个孤立的方面。在研究非线性动力学现象和理论方面，双稳态系统这一种经典系统被广泛地应用到理论研究和工程应用，例如双稳态电路、双稳态开关、双稳态振荡器、双稳态半导体激光二极管等等。然而，非线性动力学特性更复杂并且有这广泛应用前景的三稳态系统受到研究和关注要少得多，原因之一在于三稳态系统比较复杂，设计起来相对困难。三稳态系统是指具有三个稳态平衡点和两个不稳态平衡点的系统。该系统不仅具有学术价值还具体广泛的应用潜力。首先，隔振技术是工程中的一个关键技术，其原理是利用弹性支撑使一系统降低对外加激励起响应的能力。将振动源与地基的刚性联接改为弹性联接，能隔绝或减弱振动能量的传递，从而实现减振降噪的目的。为使产品在运输过程中减少振动的损害，也需要采取隔振措施，三稳态系统具有丰富的动力学特征，如果能够把悬臂梁式非线性三稳态装置所具体的独特动力学特性用来耗散掉部分振动能量，将在一定程度上提高当前的阻尼减振、隔振技术等。

其次，三稳态系统在振动能量俘获领域也具有相当地应用潜力。振动能量无处不在，日常生活中的桥梁、车辆、转子设备、路面、人体的运动和器官的活动等都存在大量的振动能量，这些振动能量相对稳定且广泛存在。如果能将周围环境中的振动能量有效俘获为电能，就可以用来替代电池或者对电池进行充电。这样一来，就可以解决便携式电子设备和无线传感器供电问题，特别是嵌入到建筑物、桥梁的状态监测传感器和地点不确定的目标追踪传感器等特殊用途的传感器，更换电池的代价都很高甚至是不可能完成的工作。在振动能量俘获领域，悬臂梁式能量俘获系统具有能量密度高、装置简单、易于实现等优点，被广泛研究和使用。然而，传统的线性悬臂梁系统共振频带过窄，与周围环境振动频率匹配较差，俘获的能量严重受限于周围环境，俘获能量的效率比较低，得到的可利用的电能却十分有限，在很多情况下都很难充分满足实际需求，这也成为了压电能量俘获在应用中的瓶颈。如何改变系统的动力学特性、有效拓宽其谐振频带一直是研究的热点和难点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种悬臂梁式非线性三稳态装置及其应用，机构简单、实用，以便更好地研究三稳态系统的动力学特性并探索这种系统的学术价值和应用潜力。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种悬臂梁式非线性三稳态装置，包括悬臂梁2，悬臂梁2上端和上梁1连接，一个及以上的内部磁铁3固定在悬臂梁2的下端，在悬臂梁2的正下方设有下梁4，二个及以上的外部磁铁5连接在下梁4上，内部磁铁3、外部磁铁5为永磁铁或者电磁铁，上梁1与下梁4之间的相对位置能够调整。

所述的悬臂梁2的形状是任意形状，包括矩形梁、三角形梁、梯形梁、变横截面积及厚度的梁。

所述的悬臂梁式非线性三稳态装置的非线性回复力测量方法，包括以下步骤：将力测量仪器连接到悬臂梁2上，测量出悬臂梁2处于不同位置时所受的非线性回复力，并采用相应的表达式进行拟合，表达式包括多项式方程、分式和指数方程。

所述的悬臂梁式非线性三稳态装置的能量俘获方法，包括以下步骤：

第一步，在悬臂梁2根部附近粘贴压电陶瓷或者压电薄膜6，构成压电悬臂梁，在压电悬臂2梁端部连接两块内部磁铁3，内部磁铁3为永磁铁，在下梁4上连接两块外部磁铁5，外部磁铁5为永磁铁，将上梁1和下梁4采用梁件7连接；

第二步，调节压电悬臂梁与外部磁铁5的相对位置，包括x，y，z三个方向的距离和三个方向的角度，使得压电悬臂梁处于三稳态状态，即得到三稳态振动能量俘获装系统；

第三步，在x方向施加基础激励，三稳态振动能量俘获装系统开始工作。

本发明的优点：本发明的三稳态系统相比线性系统，具有更宽的振动频带，因此，三稳态振动能量俘获系统可以解决当前线性悬臂梁式振动能量俘获系统共振频带过窄等问题，机构简单、实用，以便更好地研究三稳态系统的动力学特性并探索这种系统的学术价值和应用潜力。

附图说明：

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为三稳态振动能量俘获装系统的原理图。