随着智能时代的到来,便携式电子设备和无线传感器等集成化电子产品被广泛应用在车辆、野外跟踪、工矿机械设备、环境监测系统等领域,由于是作业在郊外、缺电、或移动的环境,受自然环境的影响较大,对其系统能源供应要求越来越高。而为这些低功耗电子产品供能的传统电池存在化学污染、体积大、寿命短、成本高,甚至在某些特定环境下不易实施等缺点。在这种情况下,寻找新的固定能量供给方式来替代传统供能方式就变得尤为重要。压电式振动俘能器因其结构形式多变、便于小型化、无电磁干扰、使用寿命长、零污染的特点,成为越来越多的学者研究关注的焦点。对于压电式振动俘能器研究中如何降低固有频率,拓宽工作频带,提高发电能力等关键问题,结合国家自然科学基金项目《自限位/自激励的伸缩纵振式定常管流压电俘能器研究》(项目编号:61574128)和《小载荷疲劳试验系统的时变、时滞控制与动态加载稳定性研究》(项目编号:51875234),本文设计了一种多振子压电液压振动俘能器(简称多振子俘能器)。该俘能器采用多层压电振子结构、将流体引入压电式振动俘能系统中来传递能量,利用增力放大机构对流体压力进行放大后驱动多层压电振子运动。本文具体的研究工作及研究结果如下:1.多压电振子振动分析选取多振子俘能器核心部件的压电振子为圆形晶片形式,利用板壳理论及压电学相关知识,对单晶压电振子进行了动力学仿真,设计了多层压电振子的三种结构形式,分析得到相应的四阶谐振频率,确定了多层压电振子的结构形式。2.多振子俘能器的流固耦合分析为了验证所设计的压电俘能器工作原理的正确性,本文利用COMSOL有限元仿真软件对多振子压电液压振动俘能器进行流固耦合分析,从仿真的角度说明流体压力、流速等因素对压电振子发电性能的影响。3.多振子俘能器理论建模和特性分析建立多振子俘能器的动力学模型,研究其工作过程中压电振子的各参数对发电电能的影响。建立等效电路模型,推导出其电压与电能表达式,通过电路中的电流、电容和占空比等因素对多振子俘能器发电性能的影响进行分析,得到了不同电流、不同电容、不同占空比时的俘能特性。4.多振子俘能器的设计及实验研究制作了多振子压电液压振动俘能器样机,搭建了实验平台,分析了不同激振频率、激振幅度、输入电压、系统背压、负载质量、压电振子层数等因素对多振子俘能器发电性能的影响。得到结论如下:(1)研究分析了振源的相关参数对系统输出电能及其对应的最佳频率的影响,得到该多振子俘能器存在多个有效频带,拓宽了俘能发电的工作范围。得到当激励电压为6V时,系统输出最大电能及其对应的最佳频率分别为1.73m J和40Hz;当激励幅度为4Vpp时,系统输出的最大电压及其对应的最佳频率分别为26.6V和37.5Hz。(2)研究分析了层数不变每层附加质量都一样时以及每层附加质量都不一样时系统背压对多振子俘能器发电性能的影响,得到系统背压为0.1-0.3MPa变化时,系统的输出功率随着系统背压的增大而增大,当增大到一定值后不再变化;系统输出最大功率对的最佳频率并不随着系统背压的增大而增大,始终为一定值。由此得到结论是系统背压只对系统输出功率有影响,在初始阶段成正比例关系,但当系统背压增大到0.2Mpa时,输出功率为一定值,不再随着系统背压的增大而增大;系统背压对系统输出最大功率对应的最佳频率没有影响,最佳频率不变,为37.5Hz。(3)研究分析了不同激振频率下多振子俘能装置输入电压(背压)对输出电压的影响,得到系统输出最大电压随着系统背压的增加先增大后减少,但对最佳频率影响较小;研究分析了不同外激振层数对多振子俘能器发电电压影响,得到系统输出电压总体趋势是随着层数的增加先增大后减少,即压电层数为3层时,输出最大电压为33.8V;研究分析了不同液压缸负载质量对多振子俘能器发电电压和频率的影响,得到系统输出电压着系统质量先增大后减小,而最佳频率先先减小后增大;研究分析了层数及附加质量不同情况下对多振子俘能器发电电压的影响,得到多振子俘能器的输出电压并不随着压电层数和附加质量的增加而增加,也不随着压电振子的附加质量的增加而增加,存在最佳压电振子层数和附加质量;研究分析了支路阀门不同开合情况对多振子俘能器发电电压的影响,实验得到改变阀门开启状态只对系统输出最大电压有影响,而不影响输出最大电压所对应的最佳频率。(4)对发电性能提升与其他俘能器进行了量化比较研究后可知,本文设计的多振子俘能器可以有效降低系统固有频率,提高系统供电能力和拓宽系统有效工作频带。本文研究成果拓展了压电及液压控制技术的应用领域,同时也为大功率压电发电技术提供了新思路。