系統識別號 | U0002-0408202013390700 |
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DOI | 10.6846/TKU.2020.00085 |
論文名稱(中文) | 單點彈性連接之雙層彈性鋼片之獵能系統探討 |
論文名稱(英文) | Study of an elastic point connected double elastic steel sheet vibration energy harvester |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 航空太空工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Aerospace Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 108 |
學期 | 2 |
出版年 | 109 |
研究生(中文) | 蕭廣豪 |
研究生(英文) | Kuang-Hao Hsiao |
學號 | 607430336 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2020-07-03 |
論文頁數 | 96頁 |
口試委員 |
指導教授
-
洪健君(chienchun.hung@mail.tku.edu.tw)
委員 - 葉紘維 委員 - 王怡仁(090730@mail.tku.edu.tw) 委員 - 洪健君(chienchun.hung@mail.tku.edu.tw) |
關鍵字(中) |
非線性振動 多尺度法 振動能量獵能系統 振動與控制 結構動力學 |
關鍵字(英) |
Nonlinear Vibrations Method of Multiple Scales Successive Structural dynamics Vibration and control Vibration energy harvester Piezoelectric patch |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本研究以Fixed-Free 非線性彈性樑為主體結構,並構思將此裝置放置在汽車車體上、機翼後方、直升機主旋翼下方或任何會振動設備後方之彈性鋼片振動獵能系統。本研究以一質量塊夾取兩長48公分之非線性彈性鋼片形成一雙彈性鋼片之獵能系統,其中將一彈性鋼片末端與基座之間置入彈簧相隔開,此目的是為了避免與振動體有過多的接觸造成其損害。此外,吾人並在此二長48公分之非線性彈性鋼片之間加入一彈簧,此彈簧位置與質量塊距離6公分之位置,其目的為藉由彈簧之彈性能帶來更大的發電效益,吾人在彈性鋼片找尋適當的位置,置入壓電片,找尋發電效益最佳之位置。本研究之理論分析,首先,以牛頓第二運動定律為基礎,並參考Bernoulli-Euler Beam理論模型,推導出此非線性彈性樑之運動方程,並與電能理論推導的壓電方程耦合,再利用時間多尺度法(Method of Multiple Scales (MOMS))將運動方程式分成兩個不同的時間尺度,找出系統各模態振動頻率之比值,並探討是否有內共振之現象,以確定後續分析之彈性樑的模態。此外,為了分析發電效益,採取四階Runge-Kutta法分析此耦合系統,並與實驗量測結果比較,證明此理論模式是可以準確預估實驗結果。本論文已建立運動方程式、MOMS、單層彈性鋼片並施加彈簧之Fixed-Point Plot,雙層彈性鋼片並附加壓電片之理論分析以及的實驗結果,而在實驗中,吾人偵測到最佳彈簧之位置,並提供本系統較以往的實驗有更大的發電效益。 |
英文摘要 |
This study takes Fixed-Free non-linear elastic beam as the main structure, and conceives that, this device can be placed on the car, behind the aircraft’s wing, under the main rotor of the helicopter, or any elastic steel sheet that vibrate the energy harvester system equipment. In this study, a mass block clamps two 48 centermeter non-linear elastic steel sheets which then forms a pair of energy harvester elastic steel sheet system. In this system, a spring is placed between the end of and the base of an elastic steel sheet to prevent damages caused by too much contact with the vibrator. In addition, I put a spring between the two 48 centermeter non-linear elastic steel plates. The spring is 6 centimeters away from the mass. In this way, the elasticity of the spring can create greater power generation benefits for our system. Furthermore, I find an appropriate location on the elastic steel sheet, and place piezoelectric plates to find the best location for power generation benefits. Regarding the theoretical analysis of this study, first, based on Newton's second law of motion, and referring to the Bernoulli-Euler Beam theoretical model, the equation of motion of this nonlinear elastic beam is derived and coupled with the piezoelectric equation derived from the theory of electrical energy. Then, I use the method of multiple scales (MOMS) to divide the equation of motion into two different time scales, and find out the ratio of the vibration frequencies of each mode of the system, and discuss whether there is an internal resonance phenomenon to determine the subsequent analysis. In addition, in order to analyze the power generation benefits, the fourth-order Runge-Kutta method was used to analyze the coupled system, and compared with the experimental measurement results, which proved that the theoretical model can accurately predict the experimental results. So far, this thesis has established the equation of motion, MOMS, Fixed-Point Plot with single-layer elastic steel sheet and applied spring, theoretical analysis and preliminary experimental results of double-layer elastic steel sheet with additional piezoelectric . In the experiment, I have detected the most ideal location of the spring and provided the system with greater power generation benefits, compared with previous experiments. In addition, with the simple energy storage design. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 摘要 I 英文摘要 III 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 1 1.3 研究方法 4 第二章 理論模式之建立與構思 6 2、1 理論模式之建立 6 2.2 運動方程式之建立、推導與無因次化 6 2.3 Piezo-Patch的理論模式建構 9 2.4 多尺度法 10 第三章 系統內共振之條件 12 3.1 內共振條件之分析 12 3.2 系統之頻率響應分析 13 第四章 單點支撐雙層彈性鋼片與耦合的獵能系統分析 21 第五章 實驗器材與配置 25 5.1.雙彈性鋼片(Double Elastic Steel Sheet (DESS)) 獵能系統之實驗建置 25 5.2. 電子元件介紹 26 5.3. 定義輸入頻率範圍 27 5.4. 彈簧的擺放位置 27 5.5. 選擇實驗模態類型 28 5.6. 實驗檢測 29 5.7 質量塊厚度變換與實驗檢測 31 1 質量塊的設計與製作 31 2 檢測成果 31 第六章 結果與討論 33 6.1附加Piezo-Patch系統理論之內共振分析 33 6.2單點支撐雙層彈性鋼片之發電效益分析 33 6.3 系統之電壓與時間之理論響應圖探討 34 6.4 加入彈簧的雙層彈性鋼片是否優於未加入彈簧的雙層彈性鋼片 35 6.5比較了壓電片在不同模態及不同彈簧之架設位置所產生之電量 35 6.6綜合成果 36 第七章 結論 37 參考文獻 39 附錄(一) 41 附錄(二) 42 附錄(三) 43 論文簡要版 88 圖目錄 圖 1理論示意圖 44 圖 2彈性支撐位置 45 圖 3理論彈性支撐之最佳位置 46 圖 4 DESS模型設計圖 47 圖 5激擾第一模態之各模態Fixed point圖 48 圖 6激擾第二模態之各模態Fixed point圖 49 圖 7激擾第三模態之各模態Fixed point圖 50 圖 8基座質量塊凹型外層三視圖1 51 圖 9基座質量塊凹型外層三視圖2 51 圖 10凹凸片結合用於夾取彈性鋼片 52 圖 11滾珠滑軌至於基座質量塊下方以減少摩擦力 53 圖 12 H型支架 54 圖 13 H型支架固定於光學桌上 55 圖 14科鳴股份有限公司所生產的壓電片 56 圖 15Acuity公司所產生的AR700-24型雷射位移計 56 圖 16固定於支架上的振動器 57 圖 17訊號放大器外觀 57 圖 18集研公司所製造的IMC資料收集器 58 圖 19提供振動波形的訊號產生器 58 圖 20實驗流程圖 59 圖 21橋式整流器示意圖 60 圖 22 電解電容示意圖 61 圖 23 1公分之基座質量塊十字型內層三視圖 62 圖 24為1.5公分之基座質量塊十字型內層三視圖 62 圖 25為2.0公分之基座質量塊十字型內層三視圖 63 圖 26與質量塊間距48公分之第三模態頻率 64 圖 27 與質量塊間距48公分之第二模態頻率 65 圖 28 與質量塊間距24公分之第三模態頻率 66 圖 29 與質量塊間距24公分之第二模態頻率 67 圖 30厚度1.5公分並與質量塊間距48公分之第三模態頻率 68 圖 31厚度1.5公分並與質量塊間距48公分之第二模態頻率 69 圖 32厚度1.5公分並與質量塊間距24公分之第三模態頻率 70 圖 33厚度1.5公分並與質量塊間距24公分之第二模態頻率 71 圖 34 厚度2公分並與質量塊間距48公分之第三模態頻率 72 圖 35 厚度2公分並與質量塊間距48公分之第二模態頻率 73 圖 36 厚度2公分並與質量塊間距24公分之第三模態頻率 74 圖 37 厚度2公分並與質量塊間距24公分之第二模態頻率 75 圖 38厚度1公分之伏特方均根 76 圖 39厚度1公分之安培方均根 76 圖 40 厚度1公分之瓦特方均根 77 圖 41厚度1.5公分之伏特方均根 77 圖 42厚度1.5公分之安培方均根 78 圖 43厚度1.5公分之瓦特方均根 78 圖 44厚度2公分之伏特方均根 79 圖 45厚度2公分之安培方均根 79 圖 46厚度2公分之瓦特方均根 80 圖 47質量塊間距1Cm第三模態理論驗證圖 80 圖 48質量塊間距1Cm第二模態理論驗證圖 81 圖 49未加彈簧之瓦特數 81 表目錄 表 1 質量塊厚度為1公分之第三模態數據 82 表 2 質量塊厚度為1公分之第二模態數據 83 表 3 質量塊厚度為1.5公分之第三模態數據 84 表 4 質量塊厚度為1.5公分之第二模態數據 85 表 5 質量塊厚度為2公分之第三模態數據 86 表 6 質量塊厚度為2公分之第二模態數據 87 |
參考文獻 |
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