CN113644801B - 基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置及方法，包括外部结构，其内设有中心圆柱形磁铁，中心圆柱形磁铁设置在空心圆柱体内，在中心圆柱形磁铁两端分别设有第一对圆板和第二对圆板，靠近中心圆柱形磁铁的第一圆板和第二圆板上分别镶嵌有与中心圆柱形磁铁相排斥的第一末端圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁；一根杆穿过第一对圆板、第一末端圆柱形磁铁、中心圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁和第二对圆板后两端固定在外部结构的两端面上；外部结构的端面与第一圆板和第二圆板之间还分别安装有套设在杆外的第一弹簧和第二弹簧；第一对圆板和第二对圆板之间分别夹持有第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜。

Description

基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置及方法

技术领域

本申请涉及能量技术领域，具体涉及一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置及方法。

背景技术

随着社会及科技的发展，能源已经变得越来越重要。随着传统能源的逐渐消耗，同时随着环保意识的进步，新能源和能源的利用技术得到了广泛的关注。介电弹性体作为一种新型的智能材料，在上世纪九十年代以来发展迅速，其具有能量密度高、变形范围大、价格低及机电转换效率高等优点，吸引了大量的科学家和研究学者的关注。介电弹性体在给定偏置条件下，通过外部激励引起薄膜的形变并导致电容变化，从而实现机械向电能的转换。

液压驱动具有压力自适应及功率密度最大化等特点，使其成为水下装备重要驱动系统，如“蛟龙”号，“鲲龙500”等采用了液压系统驱动机械手、舵、推进系统等各种关键设备。水下工作环境恶劣，对装备可靠性要求高，而水下液压系统振动是普遍存在的一种现象。在液压系统中存在着一些强制力，如机械传动的不平衡力机械或液压冲击力，摩擦力及弹簧力等。这些强制力往往是周期性的，因而产生一定的波动，使某些元件发生振动。近年来液压技术向高速高压和大功率方向发展，水下液压系统的振动也日趋严重，严重时引起水下液压设备的损坏，影响液压系统工作性能，缩短液压元件的使用寿命。水下的工作环境复杂，设备损坏后维修困难，所以对水下液压系统的振动进行减弱是十分必要的。

然而，目前针对水下液压系统减震的装置较少，同时目前基于介电弹性体能量采集装置普遍存在电能输出效率低、能量输出密度低和输出性能不稳定的特点。因此，设计一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，将振动通过介电弹性体进行能量转化，将满足我们对水下液压系统中的振动进行减弱的需求，同时提出一种新的通过介电弹性体将振动转化为能量的方法，提高电能输出效率，增强能量输出密度及稳定性，具有一定的普适性和推广前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置及方法。

本发明首先提供了一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，包括外部结构，所述外部结构包括由空心圆柱体与在其两端设置的空心圆柱体框架相连接组成，并且所述外部结构的两端面封闭；

所述外部结构内设有中心圆柱形磁铁、第一对圆板、第二对圆板、第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁、杆、第一弹簧和第二弹簧，其中第一对圆板由两个第一圆板固定连接组成，第二对圆板由两个第二圆板固定连接组成；

所述中心圆柱形磁铁设置在空心圆柱体内，在中心圆柱形磁铁两端分别设有第一对圆板和第二对圆板，靠近中心圆柱形磁铁的第一圆板和第二圆板上分别镶嵌有与中心圆柱形磁铁相排斥的第一末端圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁；

一根杆自由穿过第一对圆板、第一末端圆柱形磁铁、中心圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁和第二对圆板后两端固定在外部结构的两端面上；所述外部结构的端面与第一圆板和第二圆板之间还分别安装有套设在杆外的第一弹簧和第二弹簧；

所述第一对圆板和第二对圆板之间分别夹持有第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜。

优选的，所述中心圆柱形磁铁设置在空心圆柱体的中心通孔内，所述空心圆柱体的中心通孔的内径大于中心圆柱形磁铁的直径。

优选的，所述中心圆柱形磁铁、第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁、第一圆板和第二圆板均开设有供杆穿过的小中心孔，并且该小中心孔内径大于杆的直径。

优选的，靠近中心圆柱形磁铁的第一圆板和第二圆板上分别开设有面向中心圆柱形磁铁的中心孔，该中心孔的深度和直径与第一末端圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁的厚度和直径一致。

优选的，所述第一末端圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁均通过焊接剂与中心孔的底面结合，焊接剂的成分为α-氰基丙烯酸。

优选的，所述外部结构的两端、第一圆板和第二圆板上分别设有固定弹簧金属薄板，所述第一弹簧和第二弹簧的两端分别固定在固定弹簧金属薄板上。

优选的，所述第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的环形部分夹在两个顺应电极(顺应电极就是指圆板)之间，并连接输入电压和能量收集电路。

第二方面，本发明提供了基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置的采集方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：整个系统处于在初始状态，第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体膜的有效半径为r₁，第一圆板和第二圆板的有效半径为r₀，厚度为h_c；中心圆柱形磁铁的质量为M₂，两对圆板的质量分别为M₁和M′₁，且M₁＝M′₁；第一弹簧和第二弹簧的刚度都是k_s，中心圆柱形磁铁和第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁之间的初始距离都为d，第一介电弹性体薄膜的初始挠度设为δ₀,第二介电弹性体薄膜的初始挠度设为δ′₀，u₀是外部结构受到沿z轴施加的外部振动激励时的位移，u₁,u₂和u₃是第一圆板、中心圆柱形磁铁和第二圆板沿z轴的位移，两对圆板受力分析得：

其中F_s和F′_s分别表示第一弹簧变形所产生的力和第二弹簧变形所产生的力，分别可以写成：F_s＝k_sx_s0，F′_s＝k_sx′_s0，x_s0和x′_s0表示第一弹簧和第二弹簧的变形量，

和F_M′1分别为第一对圆板和第二对圆板的重力分量，分别可以写成：

g为重力加速度，所述F_d和F′_d分别表示第一介电弹性体薄膜变形所产生的力和第二介电弹性体薄膜变形所产生的力，所述F_m12和F_m23表示第一末端圆柱形磁铁与中心圆柱形磁铁之间以及第二末端圆柱形磁铁与中心圆柱形磁铁之间的相互作用力；

步骤S2：整个系统受到外部振动激励：

整个系统的速度和位移分别表示为:

其中所述A₀和f₀分别为外部振动激励幅值和频率；所述K和L取决于外部结构的初始条件；K表示与外部结构初始速度有关的参数，L表示与外部结构初始位移有关的参数；

步骤S3：系统在受到外部振动激励下，中心圆柱形磁铁、以及两对圆板在整个杆上进行往复运动，受力分析得：

其中步骤S3中所述

为中心圆柱形磁铁的重力分量，

；所述F_f1,F_f2和F_f3表示杆与第一圆板之间的滑动摩擦，中心圆柱形磁铁与杆之间的滑动摩擦，以及杆与第二圆板之间的滑动摩擦；

步骤S4：圆板运动带动第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜发生形变，使得有效表面积增大、厚度减小，从而电容增大；

步骤S5：磁铁的同极相斥加快了第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜恢复速度；

步骤S6：第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜分别恢复至|δ|_min和|δ′|_min时，在能量采集电路的作用下，产生更高的输出电压，从而实现振动能量向电能的转换。

优选的，当满足式(1)时，两对圆板与杆之间的静摩擦为0，力F_s,F′_s,F_M1,F_M′1,F_d,F′_d,F_m12和F_m23分别表示为：

其中，k_d表示薄膜的非线性刚度，n表示非线性刚度相应的指数；θ表示外部结构的运动方向(z方向)与水平面之间的夹角；

在装配所述能量采集装置前，根据所需的介电弹性体薄膜初始挠度，预先设定弹簧的变形量，将式(4)代入式(1)可得:

从而计算得出两个弹簧变形量为

所述式(3)中的力F_s,F′_s,

F_M′1,F_d,F′_d,F_f1,F_f2,F_f3,F_m12和F_m23可以表示为：

其中所述所述λ_i(i＝1,2,3)为杆与第一圆板之间、中心圆柱形磁铁与杆之间、杆与第二圆板之间的滑动摩擦系数。

优选的，采用相对位移z₁,z₂和z₃，并假定:

从而式(3)可表示为：

式(9)可得第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜在不同时间的中心挠度可表示为：

所述δ和δ′分别代表第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的挠度；所述介电弹性体薄膜的有效表面积，可表示为:

所述A_d和A′_d分别表示第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的有效面积，

则介电弹性体薄膜在不同时间的电容为:

所述C_d和C′_d分别表示第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的电容；所述ε₀＝8.854×10^-12F/m为真空电容率；所述ε(ε＝4.69)为介电弹性体薄膜的相对介电常数；所述

表示介电弹性体薄膜的不可压缩性的恒定体积；所述h_d1是介电弹性体薄膜的厚度。

下面对本申请做进一步说明：

本发明的技术方案是：一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，包括外部结构和内部结构。解决减少水下液压系统振动，以及目前基于介电弹性体能量采集装置电能输出效率低、能量输出密度低和输出性能不稳定的问题。

外部结构用于介电弹性体的振动能量采集装置的支撑安装保护作用，由一个空心圆柱体和两对相同的空心圆柱体框架组成。

内部结构由中心圆柱形磁铁、第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁、一根杆、第一圆板、第二圆板、第一介电弹性体薄膜、第二介电弹性体薄膜、第一弹簧、第二弹簧、第一固定弹簧金属薄板、第二固定弹簧金属薄板、第三固定弹簧金属薄板、第四固定弹簧金属薄板和螺栓组成。杆固定在两端的空心圆柱框架的内侧中心孔，中心圆柱形磁铁、第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁、第一圆板和第二圆板均有内径略大于杆的小中心孔，从而可以自由穿过杆。空心圆柱体的中心通孔的内径大于中心圆柱形磁铁的直径,中心圆柱形磁铁可以自由移动通过空心圆柱体的中心通孔。第一圆板和第二圆板中靠近中心圆柱形磁铁的板上均有面向中心圆柱形磁铁的中心孔，中心孔的深度和直径与第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁的厚度和直径一致，每对圆板之间以及空心圆柱体框架和空心圆柱体之间通过螺栓连接。

进一步的，所述第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁分别放置在第一圆板和第二圆板上的中心孔，并通过焊接剂与孔的底面结合，焊接剂的主要成分为α-氰基丙烯酸。

进一步的，所述第一弹簧和第二弹簧支承分别由第一圆板和第二圆板夹紧第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜，并使薄膜产生初始变形。

进一步的，所述第一弹簧和第二弹簧的两端分别焊接在第一、第二固定弹簧金属薄板和第三、第四固定弹簧金属薄板上。第一、第四固定弹簧金属薄板通过螺栓固定在空心圆柱体框架的内侧壁上，第二、第三的固定弹簧金属薄板通过螺栓分别与第一圆板和第二圆板相连。

进一步的，所述第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的环形部分夹在两个顺应电极之间，并连接输入电压和能量收集电路。

本发明的另一目的是提供一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1、整个系统处于初始状态，第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体膜的有效半径为r₁，第一圆板和第二圆板的有效半径为r₀，厚度为h_c。中心圆柱形磁铁的质量为M₂，两对圆板(含末端磁铁)的质量分别为M₁和M′₁，且M₁＝M′₁。第一弹簧和第二弹簧的刚度都是k_s。中心圆柱形磁铁和第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁之间的初始距离都为d。第一介电弹性体薄膜的初始挠度设为δ₀,第二介电弹性体薄膜的初始挠度设为δ′₀，u₀是外部结构受到沿z轴施加的外部振动激励，u₁,u₂和u₃是第一圆板、中心圆柱形磁铁和第二圆板沿z轴的位移。两对圆板受力分析得：

步骤S2、整个系统受到外部振动激励：

整个系统的速度和位移分别表示为:

步骤S3、系统在受到外部振动激励下，中心圆柱形磁铁、以及两对圆板(含末端磁铁)，在整个杆上进行往复运动，受力分析得：

步骤S4、圆板运动带动第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜发生形变，使得有效表面积增大、厚度减小，从而电容增大；

步骤S5、磁铁的同极相斥加快了第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜恢复速度；

步骤S6、第一介电弹性体薄膜(第二介电弹性体薄膜)恢复至|δ|_min(|δ′|_min)时，在能量采集电路的作用下，产生更高的输出电压，从而实现了振动能量向电能的转换。

进一步的，步骤S1中，所述F_s和F′_s分别表示第一弹簧变形所产生的力和第二弹簧变形所产生的力，分别可以写成：F_s＝k_sx_s0 F′_s＝k_sx′_s0；所述x_s0和x′_s0表示第一弹簧和第二弹簧的变形量；所述

和

分别为第一圆板和第二圆板的重力分量，计算公式为：

g为重力加速度；所述F_d和F′_d分别表示第一介电弹性体薄膜变形所产生的力和第二介电弹性体薄膜变形所产生的力；所述F_m12和F_m23表示第一末端圆柱形磁铁与中心圆柱形磁铁之间以及第二末端圆柱形磁铁与中心圆柱形磁铁之间的相互作用力。

进一步的，当满足式(1)时，两对圆板与杆之间的静摩擦为0，可以有效的避免产生摩擦的不确定性。力F_s,F′_s,

F_M′1,F_d,F′_d,F_m12和F_m23分别表示为：

进一步的，在装配本发明装置前，我们可以根据所需的介电弹性体薄膜初始挠度，预先设定弹簧的变形量。将式(4)代入式(1)可得:

从而计算得出两个弹簧变形量为

进一步的，步骤S2中，所述A₀和f₀分别为外部振动激励幅值和频率；所述K和L分别表示与圆筒(即外部结构)初始速度有关的参数和与圆筒初始位移有关的参数。

进一步的，步骤S3中，所述

为中心圆柱形磁铁的重力分量；所述F_f1,F_f2和F_f3表示杆与第一圆板之间的滑动摩擦，中心圆柱形磁铁与杆之间的滑动摩擦，以及杆与第二圆板之间的滑动摩擦。

进一步的，式(3)中的力F_s,F′_s,

F_M′1，F_d,F′_d,F_f1,F_f2,F_f3,F_m12和F_m23可以表示为：

进一步的，所述λ_i(i＝1,2,3)为杆与第一圆板(含末端磁铁)之间、中心圆柱形磁铁与杆之间、杆与第二圆板(含末端磁铁)之间的滑动摩擦系数。

为便于分析，采用相对位移z₁,z₂和z₃，并假定:

进一步的，式(3)可表示为：

进一步的，式(9)可得第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜在不同时间的中心挠度可表示为：

进一步的，所述δ和δ′分别代表第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的挠度；所述介电弹性体薄膜的有效表面积，即柔性电极所覆盖的面积，是锥体的侧面面积，可表示为:

进一步的，所述A_d和A′_d分别表示第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的有效面积。

则介电弹性体薄膜在不同时间的电容为:

进一步的，所述C_d和C′_d分别表示第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的电容；所述ε₀＝8.854×10^-12F/m为真空电容率；所述ε(ε＝4.69)为介电弹性体薄膜的相对介电常数；所述

表示介电弹性体薄膜的不可压缩性的恒定体积；所述h_d1是介电弹性体薄膜的厚度。

本申请的能量采集装置的优点在于：本申请能量采集装置设计巧妙，当所述能量采集装置受到外部振动激励时，中心圆柱形磁铁、以及两对圆板在整个杆上进行往复运动，圆板运动带动第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜发生形变，使得有效表面积增大、厚度减小，从而电容增大，同时磁铁的同极相斥加快了第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜恢复速度；第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜在能量采集电路的作用下，产生输出电压，从而实现振动能量向电能的转换。另外，第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜具有阻尼和非线性刚度，比传统减振器具有更好的减振效果。

附图说明

图1为一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置的外部示意图，

图2为一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置的内部整体结构示意图，

图3为一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置的内部局部结构示意图，

图4为一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置初始状态图，

图5为一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置初始状态受力图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明，但本发明不局限于此。

实施例1

如图1，图2，图3所示，本发明提供一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，包括外部结构和内部结构。

外部结构用于介电弹性体的振动能量采集装置的支撑安装保护作用，由一个空心圆柱体4和两对相同的空心圆柱体框架1相连接组成，并且所述外部结构的两端面封闭，如图1所示。

内部结构由中心圆柱形磁铁10、第一末端圆柱形磁铁3、第二末端圆柱形磁铁5、一根杆11、第一圆板12、第二圆板9、第一介电弹性体薄膜2、第二介电弹性体薄膜8、第一弹簧13、第二弹簧6、第一固定弹簧金属薄板17、第二固定弹簧金属薄板14、第三固定弹簧金属薄板15、第四固定弹簧金属薄板16和螺栓7组成。杆11固定在两端的空心圆柱体框架1的内侧中心孔上(即外部结构的两端面的中心孔上)，中心圆柱形磁铁10、第一末端圆柱形磁铁3、第二末端圆柱形磁铁5、第一圆板12和第二圆板9均有内径略大于杆11的小中心孔，从而可以自由穿过杆。空心圆柱体4的中心通孔的内径大于中心圆柱形磁铁10的直径,中心圆柱形磁铁10可以自由移动通过空心圆柱体4的中心通孔。

所述第一圆板12设有两个，组成第一对圆板，两个第一圆板12固定连接，所述第二圆板9设有两个，组成第二对圆板，两个第二圆板9固定连接，第一对圆板和第二对圆板分别位于中心圆柱形磁铁10两端设置。靠近中心圆柱形磁铁10的第一圆板12和第二圆板9上均开设有面向中心圆柱形磁铁10的中心孔，中心孔的深度和直径与第一末端圆柱形磁铁3、第二末端圆柱形磁铁5的厚度和直径一致，每对圆板之间以及空心圆柱体框架1和空心圆柱体4之间通过螺栓连接。

所述第一末端圆柱形磁铁3、第二末端圆柱形磁铁5分别放置在第一圆板12和第二圆板9上的中心孔上，并通过焊接剂与孔的底面结合，焊接剂的主要成分为α-氰基丙烯酸。并且第一末端圆柱形磁铁3、第二末端圆柱形磁铁5均与中心圆柱形磁铁10相排斥设置。所述第一弹簧13和第二弹簧6支承分别由第一圆板12和第二圆板9夹紧第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8，并使薄膜产生初始变形。

在杆11的两端外侧分别套设有第一弹簧13和第二弹簧6，第一固定弹簧金属薄板17和第四固定弹簧金属薄板16通过螺栓分别固定在空心圆柱体框架1的内侧壁上，第二固定弹簧金属薄板14和第三固定弹簧金属薄板15通过螺栓分别与第一圆板12和第二圆板9相连。所述第一弹簧13和第二弹簧6的两端分别焊接在第一固定弹簧金属薄板17、第二固定弹簧金属薄板14和第三固定弹簧金属薄板15、第四固定弹簧金属薄板16上。

在第一对圆板和第二对圆板之间分别夹持有第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8。所述第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8的环形部分夹在两个顺应电极之间，并连接输入电压和能量收集电路。(即第一介电弹性体和第二介电弹性体的两端都夹有圆板，所谓一对圆板，就是两个圆板分别放置在薄膜的两端，因此形成了环形形状。薄膜两端的环形区域都有顺应电极。最后连接输入电压和能量收集电路。所述顺应电极就是指圆板。)

如图4，图5所示，基于所述能量采集装置，本发明提供一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1、整个系统(即所述能量采集装置)处于初始状态，第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体膜8的有效半径为r₁，第一圆板12和第二圆板9的有效半径为r₀，厚度为h_c；中心圆柱形磁铁10的质量为M₂，两对圆板(均含末端磁铁)的质量分别为M₁和M′₁，且M₁＝M′₁，第一弹簧13和第二弹簧6的刚度都是k_s；中心圆柱形磁铁10和第一末端圆柱形磁铁3、第二末端圆柱形磁铁5之间的初始距离都为d；第一介电弹性体薄膜2的初始挠度设为δ₀,第二介电弹性体薄膜8的初始挠度设为δ′₀，u₀是外部结构受到沿z轴施加的外部振动激励时的位移，u₁,u₂和u₃是第一圆板12、中心圆柱形磁铁10和第二圆板9沿z轴的位移；两对圆板受力分析得：

其中，步骤S1中，所述F_s和F′_s分别表示第一弹簧13变形所产生的力和第二弹簧6变形所产生的力，分别可以写成：F_s＝k_sx_s0F′_s＝k_sx′_s0；所述x_s0和x′_s0表示第一弹簧13和第二弹簧6的变形量；所述F_M1和

分别为第一对圆板和第二对圆板的重力分量，分别可以写成：

g为重力加速度；所述F_d和F′_d分别表示第一介电弹性体薄膜2变形所产生的力和第二介电弹性体薄膜8变形所产生的力；所述F_m12和F_m23表示第一末端圆柱形磁铁3与中心圆柱形磁铁10之间以及第二末端圆柱形磁铁5与中心圆柱形磁铁10之间的相互作用力；

步骤S2、整个系统受到外部振动激励：

整个系统的速度和位移分别表示为:

其中，步骤S2中，所述A₀和f₀分别为外部振动激励幅值和频率；所述K和L取决于外部结构的初始条件；K表示与圆筒(即外部结构)初始速度有关的参数，L表示与圆筒初始位移有关的参数；

步骤S3、系统在受到外部振动激励下，中心圆柱形磁铁10、以及两对圆板(含末端磁铁)，在整个杆上进行往复运动，受力分析得：

其中步骤S3中，所述

为中心圆柱形磁铁10的重力分量，

所述F_f1,F_f2和F_f3表示杆11与第一圆板12之间的滑动摩擦，中心圆柱形磁铁10与杆11之间的滑动摩擦，以及杆11与第二圆板9之间的滑动摩擦；

步骤S4、圆板运动带动第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8发生形变，使得有效表面积增大、厚度减小，从而电容增大；

步骤S5、磁铁的同极相斥加快了第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8恢复速度；

步骤S6、第一介电弹性体薄膜2(第二介电弹性体薄膜8)恢复至|δ|_min(|δ′|_min)时，在能量采集电路的作用下，产生更高的输出电压，从而实现了振动能量向电能的转换。

进一步的，当满足式(1)时，两对圆板与杆11之间的静摩擦为0，可以有效的避免产生摩擦的不确定性；力F_s,F′_s,

F_d,F′_d,F_m12和F_m23分别表示为：

(k_d表示薄膜的非线性刚度，n表示非线性刚度相应的指数；θ表示外部结构的运动方向(z方向)与水平面之间的夹角)；

进一步的，在装配本发明装置前，我们可以根据所需的介电弹性体薄膜初始挠度，预先设定弹簧的变形量；将式(4)代入式(1)可得:

从而计算得出两个弹簧变形量为

进一步的，式(3)中的力F_s,F′_s,

F_d,F′_d,F_f1,F_f2,F_f3,F_m12和F_m23可以表示为：

进一步的，所述λ_i(i＝1,2,3)为杆11与第一圆板12(含末端磁铁)之间、中心圆柱形磁铁10与杆11之间、杆11与第二圆板9(含末端磁铁)之间的滑动摩擦系数。

为便于分析，采用相对位移z₁,z₂和z₃，并假定:

进一步的，式(3)可表示为：

进一步的，式(9)可得第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8在不同时间的中心挠度可表示为：

进一步的，所述δ和δ′分别代表第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8的挠度；所述介电弹性体薄膜的有效表面积，即柔性电极所覆盖的面积，是锥体的侧面面积，可表示为:

进一步的，所述A_d和A′_d分别表示第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8的有效面积。

则介电弹性体薄膜在不同时间的电容为:

进一步的，所述C_d和C′_d分别表示第一介电弹性体薄膜2和第二介电弹性体薄膜8的电容；所述ε₀＝8.854×10^-12F/m为真空电容率；所述ε(ε＝4.69)为介电弹性体薄膜的相对介电常数；所述

表示介电弹性体薄膜的不可压缩性的恒定体积；所述h_d1是介电弹性体薄膜的厚度。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，其特征在于：包括外部结构，所述外部结构包括由空心圆柱体与在其两端设置的空心圆柱体框架相连接组成，并且所述外部结构的两端面封闭；

所述外部结构内设有中心圆柱形磁铁、第一对圆板、第二对圆板、第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁、杆、第一弹簧和第二弹簧，其中第一对圆板由两个第一圆板固定连接组成，第二对圆板由两个第二圆板固定连接组成；

所述中心圆柱形磁铁设置在空心圆柱体内，在中心圆柱形磁铁两端分别设有第一对圆板和第二对圆板，靠近中心圆柱形磁铁的第一圆板和第二圆板上分别镶嵌有与中心圆柱形磁铁相排斥的第一末端圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁；

一根杆自由穿过第一对圆板、第一末端圆柱形磁铁、中心圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁和第二对圆板后两端固定在外部结构的两端面上；所述外部结构的端面与第一圆板和第二圆板之间还分别安装有套设在杆外的第一弹簧和第二弹簧；

所述第一对圆板和第二对圆板之间分别夹持有第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜；所述采集装置的采集方法包括如下步骤：

步骤S1：整个系统处于在初始状态，第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的有效半径为r₁，第一圆板和第二圆板的有效半径为r₀，厚度为h_c；中心圆柱形磁铁的质量为M₂，两对圆板的质量分别为M₁和M′₁，且M₁＝M′₁；第一弹簧和第二弹簧的刚度都是k_s，中心圆柱形磁铁和第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁之间的初始距离都为d，第一介电弹性体薄膜的初始挠度设为δ₀,第二介电弹性体薄膜的初始挠度设为δ′₀，u₀是外部结构受到沿z轴施加的外部振动激励时的位移，u₁,u₂和u₃是第一圆板、中心圆柱形磁铁和第二圆板沿z轴的位移，两对圆板受力分析得：

其中F_s和F′_s分别表示第一弹簧变形所产生的力和第二弹簧变形所产生的力，分别可以写成：F_s＝k_sx_s0，F′_s＝k_sx′_s0，x_s0和x′_s0表示第一弹簧和第二弹簧的变形量，

和

分别为第一对圆板和第二对圆板的重力分量，分别可以写成：

g为重力加速度，所述F_d和F′_d分别表示第一介电弹性体薄膜变形所产生的力和第二介电弹性体薄膜变形所产生的力，所述F_m12和F_m23表示第一末端圆柱形磁铁与中心圆柱形磁铁之间以及第二末端圆柱形磁铁与中心圆柱形磁铁之间的相互作用力；

步骤S2：整个系统受到外部振动激励：

整个系统的速度和位移分别表示为:

其中所述A₀和f₀分别为外部振动激励幅值和频率；所述K和L取决于外部结构的初始条件；K表示与外部结构初始速度有关的参数，L表示与外部结构初始位移有关的参数；

步骤S3：系统在受到外部振动激励下，中心圆柱形磁铁、以及两对圆板在整个杆上进行往复运动，受力分析得：

其中步骤S3中所述

为中心圆柱形磁铁的重力分量，

θ表示外部结构的运动方向与水平面之间的夹角；所述F_f1,F_f2和F_f3表示杆与第一圆板之间的滑动摩擦，中心圆柱形磁铁与杆之间的滑动摩擦，以及杆与第二圆板之间的滑动摩擦；

步骤S4：圆板运动带动第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜发生形变，使得有效表面积增大、厚度减小，从而电容增大；

步骤S5：磁铁的同极相斥加快了第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜恢复速度；

步骤S6：第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜分别恢复至|δ|_min和|δ′|_min时，在能量采集电路的作用下，产生更高的输出电压，从而实现振动能量向电能的转换。

2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，其特征在于：所述中心圆柱形磁铁设置在空心圆柱体的中心通孔内，所述空心圆柱体的中心通孔的内径大于中心圆柱形磁铁的直径。

3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，其特征在于：所述中心圆柱形磁铁、第一末端圆柱形磁铁、第二末端圆柱形磁铁、第一圆板和第二圆板均开设有供杆穿过的小中心孔，并且该小中心孔内径大于杆的直径。

4.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，其特征在于：靠近中心圆柱形磁铁的第一圆板和第二圆板上分别开设有面向中心圆柱形磁铁的中心孔，该中心孔的深度和直径与第一末端圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁的厚度和直径一致。

5.根据权利要求4所述的基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，其特征在于：所述第一末端圆柱形磁铁和第二末端圆柱形磁铁均通过焊接剂与中心孔的底面结合，焊接剂的成分为α-氰基丙烯酸。

6.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的水下液压系统振动能量采集装置，其特征在于：所述外部结构的两端、第一圆板和第二圆板上分别设有固定弹簧金属薄板，所述第一弹簧和第二弹簧的两端分别固定在固定弹簧金属薄板上。

7.根据权利要求6所述的采集装置，其特征在于：当满足式(1)时，两对圆板与杆之间的静摩擦为0，力F_s,F′_s,

F_d,F′_d,F_m12和F_m23分别表示为：

其中，k_d表示薄膜的非线性刚度，n表示非线性刚度相应的指数；θ表示外部结构的运动方向与水平面之间的夹角；

在装配所述能量采集装置前，根据所需的介电弹性体薄膜初始挠度，预先设定弹簧的变形量，将式(4)代入式(1)可得:

从而计算得出两个弹簧变形量为

所述式(3)中的力F_s,F′_s,

F_d,F′_d,F_f1,F_f2,F_f3,F_m12和F_m23可以表示为：

其中所述λ_i(i＝1,2,3)为杆与第一圆板之间、中心圆柱形磁铁与杆之间、杆与第二圆板之间的滑动摩擦系数。

8.根据权利要求7所述的采集装置，其特征在于：采用相对位移z₁,z₂和z₃，并假定:

从而式(3)可表示为：

式(9)可得第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜在不同时间的中心挠度可表示为：

所述δ和δ′分别代表第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的挠度；所述介电弹性体薄膜的有效表面积，可表示为:

所述A_d和A′_d分别表示第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的有效面积，

则介电弹性体薄膜在不同时间的电容为:

所述C_d和C′_d分别表示第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的电容；所述ε₀＝8.854×10^-12F/m为真空电容率；所述ε为介电弹性体薄膜的相对介电常数；所述

表示介电弹性体薄膜的不可压缩性的恒定体积；所述h_d1是介电弹性体薄膜的厚度；h_d(t)和h′_d(t)表示第一介电弹性体薄膜和第二介电弹性体薄膜的厚度与时间的关系。

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