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双稳态压电俘能器可以将环境中的振动机械能转化为电能,利用其特有的双稳态跳变行为,外界只需提供微小激励便可以在共振区域前激发系统的大幅振动,宽频响应,从而达到提高俘能效率的目的。由于其结构简单、可集成化、不易受电磁干扰等优点,因此受到国内外学者的广泛关注。同时,随着微机电技术(MEMS)的发展,业界所能制造的微机电结构尺寸越来越小,功能越来越强大。为了应对这种小型化、微型化的趋势,压电俘能器元件本身也势必往小型化、微型化的趋势发展。利用俘能器结构对微机电系统进行自供电设计大大提高了系统的自动化程度,避免了复杂系统更换电池的麻烦。本课题研究双稳态板在微型压电俘能器上的应用,论文研究了微型双稳态板的跳变行为,分析了双稳态压电板的固有频率和稳定性以及非线性动力学响应,并对微型双稳态俘能器的俘能效率进行了分析。研究内容主要有以下几个方面: (1)研究系统的双稳态特性。本节研究对象为带质量块的微型双稳态板结构,采用中间固支四边自由的边界条件。运用应变梯度理论考虑尺度效应,利用最小势能原理建立了微型双稳态板结构的静力学平衡方程。通过符号计算软件Maple对其进行双稳态特性分析。探究了非线性系统均布力和温度激发系统跳变行为的临界载荷。 (2)利用Hamilton原理建立微型双稳态板的动力学方程。分别计算带质量块系统与不带质量块系统的前两阶固有频率随内凛长度,温度和电压的变化趋势;利用特征值法研究带质量块系统不同内凛长度和压电层铺设面积下,温度和电压对系统稳定性的影响。同时研究微型双稳态压电板的动力学响应。在Matlab程序中应用Runge-Kutta法进行数值模拟,分别得到板振动的波形图和相图。研究外激振力,温度,电压以及尺度效应对微型双稳态压电板的非线性动力学行为的影响。 (3)研究了不同因素对微型压电俘能器俘能效率的影响。引入电学方程,利用Hamilton原理建立带质量块的微型双稳态板压电俘能器的动力学方程。在Matlab程序中进行数值模拟,探索压电片的铺设位置、温度、厚度及铺设面积对俘能效率的影响,并设计出一款最优结构。基于最优结构下,探究双稳态板特有的跳变行为对压电俘能效率的影响并画出非线性系统的压频响应。