一种减振俘能双功能超材料梁

技术领域

本发明涉及减振和俘能两个技术领域，通过吸收工程梁结构上的振动利用压电效应和局域共振机理在局域共振单元产生能量，进行能量收集可以达到资源充分利用、节省能源消耗的效果；局域共振单元俘能的同时，主梁的振动得到抑制。具体涉及一种减振俘能双功能超材料梁及其俘能与减振方法。

背景技术

我国是人口大国，对能源的需求远大于其他国家，充分利用可再生能量是许多学者研究的方向。目前，许多微电子设备大多数采用电池供电，但是电池的使用寿命低，需要对旧电池进行填埋处理，这严重影响了土壤环境，也在一定程度上对生态系统造成破坏，因此，如何为微电子设备和无线传感器网络供电成为当今备受关注的热点问题。

自然界中存在着各式各样的能源，太阳能、振动能、热能、风能、核能等，可以通过能量转换技术将这些能源转化为电能。比如，利用光电材料的光电效应将太阳能转化为电能；利用热点材料的热电效应将热梯度转化为电能；利用压电材料的压电效应将环境中的振动能量转化为电能。其中，由于振动的普遍存在，利用环境振动能量发电应用更为广泛。

超材料具备天然材料所不具备的特殊性质，如负折射率、负刚度等性质。超材料梁由主梁和其上大量排布的局域共振单元组合而成。局域共振单元俘能的原理是压电效应，压电效应是通过压电片产生大变形来俘出电能，达到节能的效果。超材料梁减振的原理是局域共振机理，即振子的局域共振模态与基体模态发生相互耦合使得带隙产生，达到减振效果。其优势有寿命长，可靠性高，而且可以持续供能。

中国专利申请(公开号CN110912455A)公开了一种宽频带振动俘能器，包括低频振动结构、高频压电复合梁、第一动磁体、第二动磁体和线圈，根据第一动磁体和线圈之间的电磁感应，以及第二动磁体触碰高频压电复合梁的压电效应分别输出电能。但是该结构比较复杂，涉及电磁感应和压电效应，成本较高，而本发明仅用压电效应就能使结构在低频范围内有更多的固有频率，形成较宽的俘能区间，产生较大电能，且超材料梁的局域共振单元能大大降低主梁的位移幅值，减振效果好，成本较低。

发明内容

本发明是一种减振俘能超材料梁，通过局域共振单元内的压电片产生大变形来俘获电能，通过超材料结构的局域共振机理来达到减振效果。该结构增加了超材料梁的使用寿命，节约了成本。

本发明所采用的技术方案是：一种减振俘能双功能超材料梁，具有减振俘能超材料梁，其特征在于，包括压电片1、主梁2、局域梁3和质量块4；其中，局域梁3、压电片1和质量块4组成局域共振单元。局域共振单元的一侧端面为固定端，另一侧为自由端；主梁2的两侧分别均匀分布有19个局域共振单元，每个局域共振单元内黏附着压电片1，压电片1的宽度与局域梁3的宽度相同，长度占局域梁的三分之一，位置靠近主梁2，这样容易与主梁发生共振，压电片的铺设虽然只占三分之一，但是对俘能效果并不会有很大影响，节约了成本。局域梁的一端的上表面紧贴于主梁的下表面，贴合部分较小，另一端的上下表面粘着质量块，质量块是正方体，其边长为局域梁的宽度。在每一个压电片上都各连接一个电阻，电阻两端分别与压电片的上下表面相连。

局域共振单元的长度呈梯形分布，由固定端到自由端的变化是由短到长，长度变化范围不大，可以增加结构位移变化的稳定性。

主梁与局域梁的材料采用的是铝，质量块采用的是铅材料，局域共振单元内的压电片则选择的是PVDF压电材料，PVDF材料对湿度、温度和化学物质高度稳定，失真小，结构简单。与铁电陶瓷有着无法比拟的优势。

该超材料梁俘能方法，具体如下：

该超材料梁的固定端与外界的振动环境相连接，外界振动源源不断给结构输入能量，当外界的振动频率与整体结构的固有频率一致时，整体结构与外界环境发生共振，附着在局域共振单元内的压电片发生大变形，从而产生高电能。该结构的优势就是在低频范围内能够与外界环境多次发生共振，有较宽的共振频带，在共振频带范围内，电能输出高；由于外界的振动频率比较小，所以在主梁与局域梁上附加质量块来减小整体结构的固有频率，这样容易与外界振动产生共振，从而获取高电压。将压电产生的电能通过外接电路就可以源源不断的为外界提供能源。

该超材料梁减振方法，具体如下：

当主梁振动时，局域共振单元可以通过振动的方式分担主梁的机械能，振子主模态抑制基体的主模态，形成抑制该模式的子带隙，子带隙相互叠加，形成完全带隙，使得主梁的位移幅值减小，起到了减振的作用。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果：1、在低频的范围内有更多的固有频率，增多了结构的共振频率，俘能效果好；2、利用了超材料的特性，通过局域共振单元分担主梁的机械能达到不错的减振效果；3、外界环境的振动频率比较小，而质量块可以降低结构固有频率，充分利用了环境资源；4、本结构在每个局域共振单元上设有压电片，有较大的输出功率。

附图说明

图1是本发明减振俘能超材料梁整体结构图；

图2是本发明减振俘能超材料梁的局域共振单元结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参照附图1，一种减振俘能双功能超材料梁，包括压电片、主梁、局域梁和质量块。局域共振单元是由局域梁、压电片和质量块组成的。左侧端面为固定端，右侧端面为自由端，主梁两侧分别均匀分布了19个局域共振单元，每个局域梁上表面黏附着压电片，压电片的宽度与局域梁的宽度相同，而长度占局域梁的三分之一，位置靠近主梁，这样容易与主梁发生共振，压电片的铺设虽然只占三分之一，但是对俘能效果影响不大，节约了材料的成本。局域梁的一端的上表面紧贴于主梁的下表面，贴合部分较小，另一端的上下表面粘着质量块，质量块是正方体，质量块与局域梁端面齐平，其边长为局域梁的宽度。在每一个压电片上都各连接一个电阻，电阻两端分别与压电片的上下表面相连。局域共振单元的长度呈梯形分布，由固定端到自由端的变化是由短到长，长度变化范围不大，可以增加结构位移变化的稳定性。

主梁与局域梁的材料采用的是铝，质量块采用的是铅材料，局域共振单元内的压电片则选择的是PVDF压电材料，PVDF材料对湿度、温度和化学物质高度稳定，失真小，结构简单。与铁电陶瓷有着无法比拟的优势。

该超材料梁俘能方法，具体如下：

该超材料梁的固定端与外界的振动环境相连接，外界振动源源不断给结构输入能量，当外界的振动频率与整体结构的固有频率一致时，整体结构与外界环境发生共振，附着在局域共振单元内的压电片发生大变形，从而产生高电能。该结构的优势就是在低频范围内能够与外界环境多次发生共振，有较宽的共振频带，在共振频带范围内，电能输出高；由于外界的振动频率比较小，所以在主梁与局域梁上附加质量块来减小整体结构的固有频率，这样容易与外界振动产生共振，从而获取高电压。将压电产生的电能通过外接电路就可以源源不断的为外界提供能源。

该超材料梁减振方法，具体如下：

当主梁振动时，局域共振单元可以通过振动的方式分担主梁的机械能，振子主模态抑制基体的主模态，形成抑制该模式的子带隙，子带隙相互叠加，形成完全带隙，使得主梁的位移幅值减小，起到了减振的作用。