CN109889094B - 一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器，属于空气流致振动俘能技术领域，本发明为了解决现有颤振压电俘能器很少有涉及到机翼当做阻流体的压电俘能器、俘能效率低、结构复杂的问题。固支底座上固定安装有至少两个压电振子，且压电振子相对设置，压电振子的一端与固支底座相连接，压电振子的另一端均安装有支架组，相邻的两个支架组之间安装有弹性轴，机翼的的迎风侧固定安装在弹性轴上，支架组上均安装有扭簧支架，且扭簧支架的弹性端经扭簧与弹性轴相连接。本发明的一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器可便捷调节俘能器板簧工作长度、扭簧工作长度、机翼迎风角，从而大大提高俘能器的俘能效率和性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电俘能器，具体涉及一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器，属于空气流致振动俘能技术领域。
背景技术
微型固定翼飞行器在正常巡航和遭遇阵风时，机翼经受气动弹性振动。当飞行速度超过或接近临界颤振速度时，机翼易于发生颤振，从而出现极限环振荡、准周期和混沌运动等分叉现象。由于颤振是一种自激励大振幅的不稳定振动，一方面能够利用气动弹性振动进行俘能，为无线传感器等微机电系统供电；另一方面也能够利用俘能特性影响气动弹性振动响应特性，抑制其振动，改善微型翼型飞行器的飞行稳定和控制精度。
现有技术中的流致振动俘能多为阻流体连接压电悬臂梁的单俘能器或双俘能器，排布形式单一。阻流体多为圆柱体、三棱柱、方柱、D形柱等形状，较少涉及到机翼当做阻流体的压电俘能器。如文献“Sousa VC,Anicézio M,Marqui JC et al.Enhancedaeroelastic energy harvesting by exploiting combined nonlinearities:theoryand experiment[J].Smart Materials and Structures,2011,20:094007.”中提出的气动颤振压电俘能器。其结构虽然能利用气动颤振进行压电俘能，但仅分析了固定颤振速度、单一弯曲弹簧刚度和固定迎风角的一种压电俘能器输出性能，没有涉及到不同颤振速度和迎风角下的俘能特性，无法适用于在实际复杂多变的空气流场下进行俘能。故现有颤振压电俘能器存在实际应用性差、俘能效率低、结构复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器，以解决现有颤振压电俘能器很少有涉及到机翼当做阻流体的压电俘能器、俘能效率低、结构复杂的问题。
一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器包括固支底座、压电振子、支架组、弹性轴、机翼和扭簧支架；
固支底座上固定安装有至少两个压电振子，且压电振子相对设置，压电振子的一端与固支底座相连接，压电振子的另一端均安装有支架组，相邻的两个支架组之间安装有弹性轴，机翼的迎风侧固定安装在弹性轴上，支架组上均安装有扭簧支架，且扭簧支架的弹性端经扭簧与弹性轴相连接。
优选的：固支底座包括平板和立柱，立柱固定安装在平板上，且立柱的同侧设置有至少两个横梁。
优选的：压电振子包括板簧、压电片和压板，板簧的一端通过压板固定安装在立柱的横梁上，板簧的另一端与支架组相连接，压电片贴附在板簧上。
优选的：支架组包括板簧支架、机翼支架和轴承；板簧支架的一端与压电振子相连接，另一端与机翼支架的一端相连接，机翼支架的另一端开有轴承安装孔，轴承安装在轴承安装孔内，弹性轴通过轴承转动安装在机翼支架上，机翼支架的端面上还开有两个平行的长圆形孔。
优选的：扭簧支架包括扭簧座和扭簧，扭簧座上开有弧形孔，扭簧座通过螺栓螺母组安装在机翼支架上，螺栓螺母组的两端分别位于长圆形孔和弧形孔内，扭簧的一端与扭簧座相连接，另一端与弹性轴相连接。
优选的：弹性轴两端的侧壁上均开有卡槽，卡槽内安装有卡簧，弹性轴上还开有用于安装扭簧的扭簧安装孔。
优选的：板簧的一端等间距开有多组安装孔，用于调节板簧的工作长度。
本发明与现有产品相比具有以下效果：
1、高效可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器选择不同的板簧工作长度、扭簧工作长度和机翼迎风角，调节机翼发生颤振的初始条件，改变机翼的气动弹性振动特性，大大提高俘能器的俘能效率。
2、能够在不同风速和风向等复杂实际环境下进行俘能，具有可操作性好、俘能效率高、输出能量大、结构简单的优点。
附图说明
图1是一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器的结构示意图；
图2是压电振子的结构示意图；
图3是压电片的安装示意图；
图4是支架组的结构示意图；
图5是扭簧支架的安装示意图；
图6是机翼的安装示意图；
图7是图6的A处放大图。
图中：1-平板、2-压电振子、3-支架组、4-弹性轴、5-机翼、6-扭簧支架、7-立柱、8-板簧、9-压电片、10-压板、11-板簧支架、12-机翼支架、13-长圆形孔、14-轴承安装孔、15-轴承、16-扭簧座、17-扭簧、18-卡簧、19-弧形孔、20-卡槽、21-扭簧安装孔。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
如图1至图7所示，本发明所述的一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器包括固支底座、压电振子2、支架组3、弹性轴4、机翼5和扭簧支架6；
固支底座上固定安装有至少两个压电振子2，且压电振子2相对设置，压电振子2的一端与固支底座相连接，压电振子2的另一端均安装有支架组3，相邻的两个支架组3之间安装有弹性轴4，机翼5的迎风侧固定安装在弹性轴4上，支架组3上均安装有扭簧支架6，且扭簧支架6的弹性端经扭簧与弹性轴4相连接。
进一步：固支底座包括平板1和立柱7，立柱7固定安装在平板1上，且立柱7的同侧设置有至少两个横梁。
进一步：压电振子2包括板簧8、压电片9和压板10，板簧8的一端通过压板10固定安装在立柱7的横梁上，板簧8的另一端与支架组3相连接，压电片9贴附在板簧8上。
进一步：支架组3包括板簧支架11、机翼支架12和轴承15；板簧支架11的一端与压电振子2相连接，另一端与机翼支架12的一端相连接，机翼支架12的另一端开有轴承安装孔14，轴承15安装在轴承安装孔14内，弹性轴4通过轴承15转动安装在机翼支架12上，机翼支架12的端面上还开有两个平行的长圆形孔13。
进一步：扭簧支架6包括扭簧座16和扭簧17，扭簧座16上开有弧形孔19，扭簧座16通过螺栓螺母组安装在机翼支架12上，螺栓螺母组的两端分别位于长圆形孔13和弧形孔19内，扭簧17的一端与扭簧座16相连接，另一端与弹性轴4相连接。
其中，通过选择弧形孔19与长圆形孔13的安装位置能够设置不同机翼5的迎风角，且能在弧形孔19连续移动和调节迎风角。
进一步：弹性轴4两端的侧壁上均开有卡槽20，卡槽20内安装有卡簧18，弹性轴4上还开有用于安装扭簧17的扭簧安装孔21。
进一步：板簧8的一端等间距开有多组安装孔，用于调节板簧8的工作长度。
其中，板簧是一种具有一定厚度的钢板弹簧，能够发生弯曲变形，板簧8上粘贴压电片9，板簧8和压电片9组成压电振子，利用板簧弯曲变形激励压电片9输出电能；扭簧17是一种弹簧柱，可发生弹性形变，机翼5在来流作用下发生气动弹性振动，引起机翼5产生沉浮运动和俯仰运动，经弹性轴4、轴承15、扭簧17、机翼支架12、板簧支架11传递到板簧8，导致板簧8的弯曲变形，使粘贴在板簧8上的压电片9在压电效应下输出电能，根据俘能器放置位置风速状况，选择不同的板簧工作长度、扭簧工作长度、机翼迎风角，改变俘能器颤振发生条件和气动弹性振动特性，适应不同风速和风向等复杂多变环境中俘能，从而大大提高输出能量和改善俘能效率。
弹性轴4在机翼5中固定位置和方式不限，可以是半弦长、质心等位置。机翼5截面形状优先选用双凸对称型。压电片9材料不限，可以是锆钛酸铅(PZT)、宏观纤维复合材料(MFC)、聚偏氟乙烯聚合物(PVDF)等压电材料。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (5)
1.一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器，其特征在于：包括固支底座、压电振子(2)、支架组(3)、弹性轴(4)、机翼(5)和扭簧支架(6)；
所述固支底座上固定安装有至少两个压电振子(2)，且压电振子(2)相对设置，压电振子(2)的一端与固支底座相连接，压电振子(2)的另一端均安装有支架组(3)，相邻的两个支架组(3)之间安装有弹性轴(4)，机翼(5)的的迎风侧固定安装在弹性轴(4)上，支架组(3)上均安装有扭簧支架(6)，且扭簧支架(6)的弹性端经扭簧与弹性轴(4)相连接；
所述固支底座包括平板(1)和立柱(7)，立柱(7)固定安装在平板(1)上，且立柱(7)的同侧设置有至少两个横梁；
所述压电振子(2)包括板簧(8)、压电片(9)和压板(10)，板簧(8)的一端通过压板(10)固定安装在立柱(7)的横梁上，板簧(8)的另一端与支架组(3)相连接，压电片(9)贴附在板簧(8)上；
所述支架组(3)包括板簧支架(11)、机翼支架(12)和轴承(15)；板簧支架(11)的一端与压电振子(2)相连接，另一端与机翼支架(12)的一端相连接，机翼支架(12)的另一端开有轴承安装孔(14)，轴承(15)安装在轴承安装孔(14)内，弹性轴(4)通过轴承(15)转动安装在机翼支架(12)上，机翼支架(12)的端面上还开有两个平行的长圆形孔(13)。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器，其特征在于：所述扭簧支架(6)包括扭簧座(16)和扭簧(17)，扭簧座(16)上开有弧形孔(19)，扭簧座(16)通过螺栓螺母组安装在机翼支架(12)上，螺栓螺母组的两端分别位于长圆形孔(13)和弧形孔(19)内，扭簧(17)的一端与扭簧座(16)相连接，另一端与弹性轴(4)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器，其特征在于：所述弹性轴(4)两端的侧壁上均开有卡槽(20)，卡槽(20)内安装有卡簧(18)，弹性轴(4)上还开有用于安装扭簧(17)的扭簧安装孔(21)。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器，其特征在于：所述板簧(8)的一端等间距开有多组安装孔，用于调节板簧(8)的工作长度。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐的翼型颤振激励式双振子压电俘能器，其特征在于：调节所述长圆形孔(13)、扭簧座(16)和扭簧(17)的安装位置，调节机翼颤振的初始条件，从而改变压电振子俘能特性。
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