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IJMSD | 南京航空航天大学裘进浩教授团队：双向能量调节的压电分流阻尼技术及其对结构振动的抑制性能研究

已有 1760 次阅读 2024-4-13 20:29 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

图文导读

图1 一种能量可双向调控的开关型压电分流电路

图2 压电能量双向操控与结构振幅衰减的对应关系

利用压电智能材料结合结构振动主动/半主动控制技术可为高端装备结构赋能，提升结构安全性，装备可靠性和舒适性等，但对系统重量、功耗等资源配置的需求也随之增加。开关型压电分流阻尼技术是一种经典的压电振动半主动控制技术。随着研究的深入，人们发现，从压电元件中提取并消耗能量（“分流”）固然可以抑制结构振动，向压电元件中注入能量也能控制结构振动，且结构振动衰减效果更佳。然而，目前注能控振相关的研究仅被零散提出，其中的能量流也未被系统地分析。

为此，南京航空航天大学裘进浩教授团队联合青岛大学沈辉副教授以及法国萨瓦-勃朗峰大学Adrien Badel教授，提出了一种可用于能量提取或注入双向调节的开关型压电分流电路，并据此建立了统一标准的能量调控-结构振幅衰减模型，进行了理论分析和实验验证研究。结果表明，压电能量双向调节对结构振动的影响如下：当结构振幅衰减在5—25 dB范围内变化时，控制系统最大可提取13 mW的电能，可注入25 mW的电能。若以结构不受控时外界激励源输入到结构中的机械能为标准，通过压电元件提取的能量不会超过该标准能量的一半；在控制未失稳发散之前，注入的能量越多，结构振幅衰减效果越好，但注入的能量大小与结构机电品质因数和电路品质因子密切相关。该研究成果以“Bidirectional energy‐controlled piezoelectric shunt damping technology and its vibration attenuation performance”为题发表于《国际机械系统动力学学报（英文）》（International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD）。该研究表明，压电半主动控制技术可极大降低控制系统功耗，甚至无需额外提供外界能量即可自供电工作。该研究成果可以为自感知、自适应、自供电功能的压电主动/半主动控制技术的优化提供理论参考。

Abstract: Piezoelectric material-based semi-active vibration control systems may effectively suppress vibration amplitude without any external power supply, or even harvest electrical energy. This bidirectional electrical energy control phenomenon is theoretically introduced and validated in this paper. A flyback transformer-based switching piezoelectric shunt circuit that can extract energy from or inject energy into piezoelectric elements is proposed. The analytical expressions of the controlled energy and the corresponding vibration attenuation are therefore derived for a classical electromechanical cantilever beam. Theoretical predictions validated by the experimental results show that the structure vibration attenuation can be tuned from −5 to −25 dB under the given electrical quality factor of the circuit and figure of merit of the electromechanical structure, and the consumed power is in the range of −13 to 25 mW, which is a good theoretical basis for the development of self-sensing, self-adapting, and self-powered piezoelectric vibration control systems.

该文亮点：

提出了可双向调控压电能量的开关型压电分流阻尼技术；
建立了统一标准的能量调控-结构振幅衰减模型，并通过了实验验证；
分析了“吸能抑振”时压电耦合结构所能提取的理论最大能量；
分析了“注能控振”时，结构振幅衰减与结构机电品质因数和电路品质因子的影响关系。

Highlights:

A switching piezoelectric shunt damping technique that can regulate piezoelectric energy in bidirectional is proposed;
A unified standard energy regulation-structure amplitude attenuation model is established and experimentally verified;
The theoretical maximum energy that can be extracted from the piezoelectric coupling structure during energy absorption for vibration suppression is investigated;
The relationship between the structure amplitude attenuation and the structure electromechanical quality factor and circuit quality factor are analyzed, in the case of energy injection for vibration control.

Keywords: vibration control, piezoelectric, shunt damping, electromechanical energy

DOI: 10.1002/msd2.12101

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Cite this article: Wu Y, Yuan Q, Ren K, et al. Bidirectional energy-controlled piezoelectric shunt damping technology and its vibration attenuation performance. Int J Mech Syst Dyn. 2024; 4(1). doi:10.1002/msd2.12101

作者介绍

吴义鹏 南京航空航天大学副教授，研究方向聚焦于压电材料在低频振动系统中的力-电耦合机制及应用，近年来主要关注压电振动能量采集和振动控制。获国防技术发明奖二等奖，江苏省科学技术奖二等奖、三等奖，江苏省力学学会一等奖等；已主持国家级项目1项，省部级项目4项，科技部/国家外国专家局引智项目1项，横向课题若干；发表学术论文60余篇。

袁权 南京航空航天大学机械专业硕士研究生，2023年获南昌航空大学飞行器动力工程学士学位，目前研究方向为压电能量采集和振动控制。

任凯彬 南京航空航天大学机械专业硕士研究生，2021年获大连交通大学材料成型与控制工程学士学位，目前研究方向为压电能量采集和振动控制。

沈心 南京航空航天大学仪器科学与技术专业硕士研究生，2023年获南京航空航天大学飞行器环境与生命保障工程学士学位，目前研究方向为压电能量采集和振动控制。

沈辉 青岛大学副教授，主要从事能量收集和振动阻尼的研究。2000年获陕西科技大学学士学位，2006年和2010年分别获南京航空航天大学硕、博士学位；承担国家级项目2项，省部级项目若干项。

Adrien Badel 法国萨瓦勃朗峰大学教授，主要从事能量收集、振动阻尼和压电致动器建模及控制研究。Polytech Annecy-Chambéry工程师学校校长，2002年和2005年获法国里昂国立应用科学学院硕、博士学位，2005年11月至2007年11月任日本东北大学流体科学研究所的日本科学促进会博士后研究员。

季宏丽 南京航空航天大学教授，优秀青年基金获得者，香江学者，学科全国优博获得者，主要从事智能材料与结构的减振降噪研究。曾获中国振动工程学会一等奖、江苏省科学技术二等奖、国防科技发明二等奖、中国航空学会科技进步二等奖和校科技进步二等奖等多项，研究论文获南京市优秀论文一等奖、二等奖和三等奖各1项；承担国家自然科学基金项目、重点研发青年科学家项目、装发快速扶持、军科委创新前沿、国家863子项目、国防基础、省青年基金项目、博士后特别资助等项目；发表论文130余篇；授权专利30余项。

裘进浩 南京航空航天大学教授，曾任日本东北大学副教授、教授，主要从事飞行器振动噪声控制和结构检测与监测研究。入选海外高层次引进人才，“长江学者奖励计划”特聘教授、973首席科学家、ASME Fellow，全国优秀科技工作者。获日本机械学会杰出成就奖、国防科技发明奖、教育部科技进步奖、江苏省科学技术奖等各类研究奖项20余项；承担“973”计划、“863”计划、国家自然科学基金重点和面上项目、总装预研等项目；发表论文400余篇、授权专利50余项。

期刊简介

IJMSD由来自18个国家的21位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创办。主编为国际机械系统动力学学会(International Society of Mechanical System Dynamics, ISMSD)主席、中国科学院院士、南京理工大学芮筱亭院士，3位合作主编为加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili 院士，国际理论与应用力学联盟(International Union of Theoretical and Applied Mechanics, IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(International Association for Multibody System Dynamics, IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard 教授和美国工程院及科学院院士、欧洲科学院外籍院士、英国皇家学会外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang 院士。

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准，为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学，所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构，还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

目前，IJMSD已被ESCI, Ei Compendex, Scopus, IET Inspec, DOAJ等收录。2024年免收出版费，并为已录用稿件免费提供专业语言润色服务，欢迎全球科学家投稿交流。

期刊主页：https://onlinelibrary.wiley.com/journal/27671402

投稿网址：https://mc.manuscriptcentral.com/ijmsd

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