[发明专利]一种变刚度调谐的压电俘能器

说明书

本发明涉及一种变刚度调谐的压电俘能器，所述俘能器由变刚度调谐模块和压电俘能模块组成，其中，变刚度调谐模块由基座、压电陶瓷块、T型铰链、刚度调整环、曲柄滑块柔顺机构等组成。其特征在于基于附加弹簧曲柄滑块机构的运动学奇异性原理，当机构从运动学非奇异位置开始运动，经过奇异位置再到非奇异位置，机构的刚度会有一个正刚度‑零刚度‑负刚度‑零刚度‑正刚度的变化过程。采用刚体替换综合法，设计出具有上述变刚度特性的曲柄滑块柔顺机构，大大简化了俘能器的结构，且曲柄滑块柔顺机构具有的变刚度调谐特性使得俘能器可以在宽频带振动情况下进行减振吸振，拓宽了应用场景，提高了吸能效率。

技术领域

本发明属于俘能技术领域，尤其涉及一种变刚度可调谐的压电俘能器。

背景技术

随着复合材料、动力系统、传感技术和飞行控制等的高速发展，尤其在军用场合，直升机的机动性、可靠性、安全性、经济性等性能都经受着愈发严峻的考验。而其飞行中受到的非定常气流载荷、发动机振动载荷和强噪声载荷等激励引发的结构振动疲劳和声疲劳问题，所致后果严重，因此日益受到重视。

压电俘能技术是利用能量收集技术将自然环境中其他形式的能量转化成电能，进而为无线传感器或微机电系统等提供电力，成为了人们研究的热点。与传统结构相比，智能材料结构技术能做到实时感知环境以及自身状态的变化，并实现自适应和自修复。压电材料、形状记忆材料和磁流变材料等广泛应用于航空航天中的振动控制、噪声控制和状态感知等。其中，压电材料具有良好的宽频可控特性及机电耦合特性,适用于开发飞机智能结构实现减振降噪。Chennault等人给出了不同能源功率密度和电压的对比，可以看出压电式能量收集性能可媲美薄膜锂离子电池和热力发电机。另外，相比于静电式和磁电式俘能器，压电式的材料本身特性可以直接转换，不需外部电压输入，功率密度大且结构简单，因此在能量收集中具有独特的优势。

变刚度调谐的压电俘能器有以下优势：其一、在能量管理优化配置方面，通过结合俘能器与减振降噪技术，将振动机械能回收利用，在抑制振动的同时回收部分振动能量，可以提高设备的续航能力；其二、宽频带吸振新型结构方面，通过改变固定结构刚度的减振降噪元器件，可以实现宽频带吸振效果，扩大了本身的应用需求。

目前的减振降噪元器件存在自身基体结构重量大，固定刚度的减振降噪元器件适用频带窄，不能实现振动机械能的回收利用等问题。针对这些问题，有必要提出一种结构紧凑、宽频带吸振和能量可回收利用的压电俘能器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种结构轻量化、宽频带吸振和能量可回收利用的压电俘能器。

针对上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种变刚度调谐的压电俘能器，所描述的俘能器包括变刚度调谐模块和压电俘能模块；其中，变刚度调谐模块包括基座、压电陶瓷块、T型铰链、刚度调整环、调节螺钉、垫片，压电俘能模块包括铜箔和PVDF压电薄膜；基座内部为圆环形的空腔，且刚度调整环容纳在该空腔中，刚度调整环通过T型铰链与基座连接；压电陶瓷块安装在基座内并倾斜的抵靠在调整环外侧，通过压电陶瓷块的伸缩变形推动调整环相对基座转动一个角度；所述刚度调整环内部为中空的，且设有三根固定导向梁、分别位于固定导向梁中间的连接块、自连接块向内延伸的柔性梁，柔性梁前端通过圆形柔性铰链固定于曲柄环上；三根固定导向梁围成三角形结构。

在上述的变刚度调谐的压电俘能器，三个压电陶瓷块由调节螺钉固定在刚度调整环上，通过旋动调节螺钉能够将压电陶瓷块固定在由基座和刚度调整环组成的凹槽中，还能够调节压电陶瓷与刚度调整环之间的预紧力，提高压电陶瓷的输出性能。

在上述的变刚度调谐的压电俘能器，PVDF压电薄膜在上铜箔与下铜箔之间进行粘结连接，采用同向反面引出PVDF的上下两极面的方法，在铜箔两面添加保护层，选择聚酰亚胺材料绝缘材料对压电薄膜进行封装，将封装好的压电薄膜与曲柄环下表面通过有机硅密封胶进行粘结。