一种预应力双稳态驰振能量收集装置

1.本发明涉及驰振能量收集装置，具体是一种预应力双稳态驰振能量收集装置。


背景技术：

2.驰振是一种典型的流致振动现象，其能够被当作一种发散性的自激激励，使结构的振幅随着时间的增加而不断增大，因此其蕴含的能量相当可观。为了利用驰振蕴含的能量，驰振能量收集装置受到了广泛关注。然而在实际应用中，传统的驰振能量收集装置存在如下问题：其一，由于固有频率较高，传统的驰振能量收集装置在低速和变速流体中存在能量收集效率较低的问题。其二，由于采用磁力耦合原理，传统的驰振能量收集装置在拓宽工作流速范围的过程中会产生电磁干扰，由此影响与其连接的电子元件的正常使用。基于此，有必要发明一种预应力双稳态驰振能量收集装置，以解决传统的驰振能量收集装置在低速和变速流体中能量收集效率较低、在拓宽工作流速范围的过程中会产生电磁干扰的问题。


技术实现要素：

3.本发明为了解决传统的驰振能量收集装置在低速和变速流体中能量收集效率较低、在拓宽工作流速范围的过程中会产生电磁干扰的问题，提供了一种预应力双稳态驰振能量收集装置。
4.本发明是采用如下技术方案实现的：一种预应力双稳态驰振能量收集装置，包括固定支座、预应力调节机构、能量转化机构；所述固定支座包括金属方杆a、金属方杆b、金属方杆c、金属方杆d、六个连接角件、六对方头螺栓a、六对压紧螺母a；金属方杆a和金属方杆b均呈横向设置；金属方杆c呈纵向设置；金属方杆c的前端面与金属方杆a的后侧面中部接触；金属方杆c的后端面与金属方杆b的前侧面中部接触；金属方杆d呈竖向设置，且金属方杆d的下端面与金属方杆c的上侧面中部接触；金属方杆a的四个侧面、金属方杆b的四个侧面、金属方杆c的四个侧面、金属方杆d的四个侧面均沿长度方向开设有一道条形滑槽；每道条形滑槽的槽腔均为倒t形槽腔；第一个连接角件的一对外侧面分别与金属方杆a的后侧面和金属方杆c的左侧面接触，且第一个连接角件的一对连接条孔分别与金属方杆a后侧面的条形滑槽和金属方杆c左侧面的条形滑槽对应；第二个连接角件的一对外侧面分别与金属方杆a的后侧面和金属方杆c的右侧面接触，且第二个连接角件的一对连接条孔分别与金属方杆a后侧面的条形滑槽和金属方杆c右侧面的条形滑槽对应；第三个连接角件的一对外侧面分别与金属方杆b的前侧面和金属方杆c的左侧面接触，且第三个连接角件的一对连接条孔分别与金属方杆b前侧面的条形滑槽和金属方杆c左侧面的条形滑槽对应；第四个连接角件的一对外侧面分别与金属方杆b的前侧面和金属方杆c的右侧面接触，且第四个连接角件的一对连接条孔分别与金属方杆b前侧面的条形滑槽和金属方杆c右侧面的条形滑槽对应；第五个连接角件的一
对外侧面分别与金属方杆c的上侧面和金属方杆d的前侧面接触，且第五个连接角件的一对连接条孔分别与金属方杆c上侧面的条形滑槽和金属方杆d前侧面的条形滑槽对应；第六个连接角件的一对外侧面分别与金属方杆c的上侧面和金属方杆d的后侧面接触，且第六个连接角件的一对连接条孔分别与金属方杆c上侧面的条形滑槽和金属方杆d后侧面的条形滑槽对应；第一对方头螺栓a的头部分别滑动嵌装于金属方杆a后侧面的条形滑槽和金属方杆c左侧面的条形滑槽的槽腔内，且第一对方头螺栓a分别贯穿第一个连接角件的一对连接条孔；第二对方头螺栓a的头部分别滑动嵌装于金属方杆a后侧面的条形滑槽和金属方杆c右侧面的条形滑槽的槽腔内，且第二对方头螺栓a分别贯穿第二个连接角件的一对连接条孔；第三对方头螺栓a的头部分别滑动嵌装于金属方杆b前侧面的条形滑槽和金属方杆c左侧面的条形滑槽的槽腔内，且第三对方头螺栓a分别贯穿第三个连接角件的一对连接条孔；第四对方头螺栓a的头部分别滑动嵌装于金属方杆b前侧面的条形滑槽和金属方杆c右侧面的条形滑槽的槽腔内，且第四对方头螺栓a分别贯穿第四个连接角件的一对连接条孔；第五对方头螺栓a的头部分别滑动嵌装于金属方杆c上侧面的条形滑槽和金属方杆d前侧面的条形滑槽的槽腔内，且第五对方头螺栓a分别贯穿第五个连接角件的一对连接条孔；第六对方头螺栓a的头部分别滑动嵌装于金属方杆c上侧面的条形滑槽和金属方杆d后侧面的条形滑槽的槽腔内，且第六对方头螺栓a分别贯穿第六个连接角件的一对连接条孔；六对压紧螺母a一一对应地旋拧于六对方头螺栓a的尾端；所述预应力调节机构包括夹持座a、两个方头螺栓b、两个压紧螺母b、调节座、四根紧固螺栓a、调节滑块、两个轴承、调节螺杆、调节旋钮、两根导向杆、夹持座b、两根紧固螺栓b；夹持座a包括跑道形纵向立板、延伸设置于跑道形纵向立板前端面的长方形纵向立板、延伸设置于长方形纵向立板右侧面且呈上下排列的两个凸块；跑道形纵向立板的左侧面与金属方杆d的右侧面接触；跑道形纵向立板的左侧面和右侧面之间贯通开设有两个呈上下排列的装配孔a和四个呈矩形排列的装配孔b；两个装配孔a均与金属方杆d右侧面的条形滑槽对应；每个凸块的前侧面和后侧面之间均贯通开设有一道夹持凹槽a，且两道夹持凹槽a的槽口上下正对；两个方头螺栓b的头部均滑动嵌装于金属方杆d右侧面的条形滑槽的槽腔内，且两个方头螺栓b分别贯穿两个装配孔a；两个压紧螺母b分别旋拧于两个方头螺栓b的尾端；调节座包括正方形纵向立板、延伸设置于正方形纵向立板右侧面且呈前后排列的两个凸棱；正方形纵向立板的左侧面与夹持座a的跑道形纵向立板右侧面接触；每个凸棱的右侧面与正方形纵向立板的左侧面之间均贯通开设有两个呈上下排列的螺孔a，且四个螺孔a与四个装配孔b一一正对；每个凸棱的前侧面中部和后侧面中部之间均贯通开设有一个支撑孔，且两个支撑孔前后正对；第一个凸棱的后侧面、第二个凸棱的前侧面各开设有两个呈上下排列的支撑凹槽；四根紧固螺栓a一一对应地贯穿四个装配孔b，且四根紧固螺栓a的尾端一一对应地旋拧于四个螺孔a内；调节滑块的左侧面与调节座的正方形纵向立板右侧面接触；调节滑块的左侧面和右侧面之间贯通开设有两个呈上下排列的螺孔b；调节滑块的前侧面和后侧面之间贯通开
设有螺孔c和两个呈上下排列的导向孔；调节螺杆贯穿螺孔c，且调节螺杆的两端分别通过两个轴承转动支撑于两个支撑孔内；调节旋钮同轴固定于调节螺杆的后端面；两根导向杆分别贯穿两个导向孔；两根导向杆的前端分别插设于第一个凸棱上的两个支撑凹槽内；两根导向杆的后端分别插设于第二个凸棱上的两个支撑凹槽内；夹持座b包括正方形纵向立板、延伸设置于正方形纵向立板前端面的长方形纵向立板、延伸设置于长方形纵向立板左侧面的凸块；正方形纵向立板的左侧面与调节滑块的右侧面接触；正方形纵向立板的左侧面和右侧面之间贯通开设有两个呈上下排列的装配孔c，且两个装配孔c分别与两个螺孔b正对；凸块的上侧面和下侧面之间贯通开设有槽口朝前的夹持凹槽b，且夹持凹槽b的上下两端分别与两道夹持凹槽a的槽口对应；两根紧固螺栓b分别贯穿两个装配孔c，且两根紧固螺栓b的尾端分别旋拧于两个螺孔b内；所述能量转化机构包括弹性梁、一对压电复合纤维材料片、方柱形钝头体、连接座；弹性梁呈纵向设置；弹性梁的左侧面和右侧面之间贯通开设有两道沿长度方向设置且呈上下排列的隔离缝隙；两道隔离缝隙的前端均封闭、后端均贯通弹性梁的后端面；两道隔离缝隙将弹性梁分隔为上部梁段、中间梁段、下部梁段；上部梁段的后端、下部梁段的后端分别固定嵌设于两道夹持凹槽a内；中间梁段的后端固定嵌设于夹持凹槽b内；一对压电复合纤维材料片左右对称地分别粘附固定于弹性梁的中间梁段的左侧面和右侧面；方柱形钝头体呈竖向设置，且方柱形钝头体通过连接座固定于弹性梁的前端。
5.工作时，先通过导线将一对压电复合纤维材料片与外部电路连接，再向弹性梁施加预应力（施加预应力的具体步骤为：正向转动调节旋钮，调节旋钮带动调节螺杆正向转动，调节螺杆带动调节滑块向前移动，调节滑块带动夹持座b向前移动，夹持座b向前挤压弹性梁的中间梁段，由此使得弹性梁的中间梁段产生一定程度的屈曲，从而形成双稳态结构），然后将本发明所述的一种预应力双稳态驰振能量收集装置置于流体中。当流体流经方柱形钝头体时，会产生带有负阻尼效应的驰振力。在驰振力的作用下，弹性梁的中间梁段产生横向振动，并且在两个稳态间频繁跳跃，由此使得一对压电复合纤维材料片产生屈曲状态，从而将大幅应变能转化为电能，进而实现了驰振能量收集。在此过程中，通过转动调节旋钮，可以调节预应力的大小，由此改变双稳态势能阱的间距。具体调节过程如下：若要增大预应力，则继续正向转动调节旋钮，调节旋钮继续带动调节螺杆正向转动，调节螺杆继续带动调节滑块向前移动，调节滑块继续带动夹持座b向前移动，由此使得弹性梁的中间梁段受到的挤压力增大，从而使得弹性梁的中间梁段的屈曲程度增大，进而使得预应力增大。若要减小预应力，则反向转动调节旋钮，调节旋钮带动调节螺杆反向转动，调节螺杆带动调节滑块向后移动，调节滑块带动夹持座b向后移动，由此使得弹性梁的中间梁段受到的挤压力减小，从而使得弹性梁的中间梁段的屈曲程度减小，进而使得预应力减小。
6.基于上述过程，与传统的驰振能量收集装置相比，本发明所述的一种预应力双稳态驰振能量收集装置具备了如下优点：其一，本发明利用预应力双稳态拓宽了实现大幅振
动响应的流速范围，由此降低了势能垒高度和耦合频率。因此，在低速和变速流体中，本发明可实现大幅的阱间振动响应，将大幅的振动能量转化为电能，由此有效拓宽了工作流速范围，从而有效提高了能量收集效率。其二，本发明不再采用磁力耦合原理，由此避免了在拓宽工作流速范围的过程中产生电磁干扰，从而有效保证了与其连接的电子元件的正常使用。
7.本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了传统的驰振能量收集装置在低速和变速流体中能量收集效率较低、在拓宽工作流速范围的过程中会产生电磁干扰的问题，适用于驰振能量收集。
附图说明
8.图1是本发明的结构示意图。
9.图2是图1的左视图逆时针旋转90度的示意图。
10.图3是图1的右视图逆时针旋转90度的示意图。
11.图4是图1的俯视图。
12.图5是本发明中预应力调节机构的结构示意图。
13.图6是图5的左视图。
14.图7是图5的右视图。
15.图8是图5的俯视图。
16.图9是本发明中夹持座a的结构示意图。
17.图10是图9的左视图。
18.图11是图9的右视图。
19.图12是图9的俯视图。
20.图13是本发明中调节座、调节滑块、轴承、调节螺杆、调节旋钮和导向杆的结构示意图。
21.图14是图13的左视图。
22.图15是图13的右视图。
23.图16是图13的俯视图。
24.图17是本发明中调节座的结构示意图。
25.图18是图17的左视图。
26.图19是图17的右视图。
27.图20是图17的俯视图。
28.图21是本发明中调节滑块的结构示意图。
29.图22是图21的左视图。
30.图23是图21的右视图。
31.图24是图21的俯视图。
32.图25是本发明中夹持座b的结构示意图。
33.图26是图25的左视图。
34.图27是图25的右视图。
35.图28是图25的俯视图。
36.图29是本发明中轴承、调节螺杆、调节旋钮的结构示意图。
37.图30是本发明中弹性梁的结构示意图。
38.图31是本发明中连接座的结构示意图。
39.图32是图31的左视图。
40.图33是图31的俯视图。
41.图中：101
‑
金属方杆a，102
‑
金属方杆b，103
‑
金属方杆c，104
‑
金属方杆d，105
‑
连接角件，106
‑
方头螺栓a，107
‑
压紧螺母a，108
‑
条形滑槽，201
‑
夹持座a，202
‑
方头螺栓b，203
‑
压紧螺母b，204
‑
调节座，205
‑
紧固螺栓a，206
‑
调节滑块，207
‑
轴承，208
‑
调节螺杆，209
‑
调节旋钮，210
‑
导向杆，211
‑
夹持座b，212
‑
紧固螺栓b，213
‑
装配孔a，214
‑
装配孔b，215
‑
夹持凹槽a，216
‑
螺孔a，217
‑
支撑孔，218
‑
螺孔b，219
‑
螺孔c，220
‑
导向孔，221
‑
装配孔c，222
‑
夹持凹槽b，301
‑
弹性梁，302
‑
压电复合纤维材料片，303
‑
方柱形钝头体，304
‑
隔离缝隙，305
‑
连接座，306
‑
连接凹槽。
具体实施方式
42.一种预应力双稳态驰振能量收集装置，包括固定支座、预应力调节机构、能量转化机构；所述固定支座包括金属方杆a101、金属方杆b102、金属方杆c103、金属方杆d104、六个连接角件105、六对方头螺栓a106、六对压紧螺母a107；金属方杆a101和金属方杆b102均呈横向设置；金属方杆c103呈纵向设置；金属方杆c103的前端面与金属方杆a101的后侧面中部接触；金属方杆c103的后端面与金属方杆b102的前侧面中部接触；金属方杆d104呈竖向设置，且金属方杆d104的下端面与金属方杆c103的上侧面中部接触；金属方杆a101的四个侧面、金属方杆b102的四个侧面、金属方杆c103的四个侧面、金属方杆d104的四个侧面均沿长度方向开设有一道条形滑槽108；每道条形滑槽108的槽腔均为倒t形槽腔；第一个连接角件105的一对外侧面分别与金属方杆a101的后侧面和金属方杆c103的左侧面接触，且第一个连接角件105的一对连接条孔分别与金属方杆a101后侧面的条形滑槽108和金属方杆c103左侧面的条形滑槽108对应；第二个连接角件105的一对外侧面分别与金属方杆a101的后侧面和金属方杆c103的右侧面接触，且第二个连接角件105的一对连接条孔分别与金属方杆a101后侧面的条形滑槽108和金属方杆c103右侧面的条形滑槽108对应；第三个连接角件105的一对外侧面分别与金属方杆b102的前侧面和金属方杆c103的左侧面接触，且第三个连接角件105的一对连接条孔分别与金属方杆b102前侧面的条形滑槽108和金属方杆c103左侧面的条形滑槽108对应；第四个连接角件105的一对外侧面分别与金属方杆b102的前侧面和金属方杆c103的右侧面接触，且第四个连接角件105的一对连接条孔分别与金属方杆b102前侧面的条形滑槽108和金属方杆c103右侧面的条形滑槽108对应；第五个连接角件105的一对外侧面分别与金属方杆c103的上侧面和金属方杆d104的前侧面接触，且第五个连接角件105的一对连接条孔分别与金属方杆c103上侧面的条形滑槽108和金属方杆d104前侧面的条形滑槽108对应；第六个连接角件105的一对外侧面分别与金属方杆c103的上侧面和金属方杆d104的后侧面接触，且第六个连接角件105的一对连接条孔分别与金属方杆c103上侧面的条形滑槽108和金属方杆d104后侧面的条形滑槽
108对应；第一对方头螺栓a106的头部分别滑动嵌装于金属方杆a101后侧面的条形滑槽108和金属方杆c103左侧面的条形滑槽108的槽腔内，且第一对方头螺栓a106分别贯穿第一个连接角件105的一对连接条孔；第二对方头螺栓a106的头部分别滑动嵌装于金属方杆a101后侧面的条形滑槽108和金属方杆c103右侧面的条形滑槽108的槽腔内，且第二对方头螺栓a106分别贯穿第二个连接角件105的一对连接条孔；第三对方头螺栓a106的头部分别滑动嵌装于金属方杆b102前侧面的条形滑槽108和金属方杆c103左侧面的条形滑槽108的槽腔内，且第三对方头螺栓a106分别贯穿第三个连接角件105的一对连接条孔；第四对方头螺栓a106的头部分别滑动嵌装于金属方杆b102前侧面的条形滑槽108和金属方杆c103右侧面的条形滑槽108的槽腔内，且第四对方头螺栓a106分别贯穿第四个连接角件105的一对连接条孔；第五对方头螺栓a106的头部分别滑动嵌装于金属方杆c103上侧面的条形滑槽108和金属方杆d104前侧面的条形滑槽108的槽腔内，且第五对方头螺栓a106分别贯穿第五个连接角件105的一对连接条孔；第六对方头螺栓a106的头部分别滑动嵌装于金属方杆c103上侧面的条形滑槽108和金属方杆d104后侧面的条形滑槽108的槽腔内，且第六对方头螺栓a106分别贯穿第六个连接角件105的一对连接条孔；六对压紧螺母a107一一对应地旋拧于六对方头螺栓a106的尾端；所述预应力调节机构包括夹持座a201、两个方头螺栓b202、两个压紧螺母b203、调节座204、四根紧固螺栓a205、调节滑块206、两个轴承207、调节螺杆208、调节旋钮209、两根导向杆210、夹持座b211、两根紧固螺栓b212；夹持座a201包括跑道形纵向立板、延伸设置于跑道形纵向立板前端面的长方形纵向立板、延伸设置于长方形纵向立板右侧面且呈上下排列的两个凸块；跑道形纵向立板的左侧面与金属方杆d104的右侧面接触；跑道形纵向立板的左侧面和右侧面之间贯通开设有两个呈上下排列的装配孔a213和四个呈矩形排列的装配孔b214；两个装配孔a213均与金属方杆d104右侧面的条形滑槽108对应；每个凸块的前侧面和后侧面之间均贯通开设有一道夹持凹槽a215，且两道夹持凹槽a215的槽口上下正对；两个方头螺栓b202的头部均滑动嵌装于金属方杆d104右侧面的条形滑槽108的槽腔内，且两个方头螺栓b202分别贯穿两个装配孔a213；两个压紧螺母b203分别旋拧于两个方头螺栓b202的尾端；调节座204包括正方形纵向立板、延伸设置于正方形纵向立板右侧面且呈前后排列的两个凸棱；正方形纵向立板的左侧面与夹持座a201的跑道形纵向立板右侧面接触；每个凸棱的右侧面与正方形纵向立板的左侧面之间均贯通开设有两个呈上下排列的螺孔a216，且四个螺孔a216与四个装配孔b214一一正对；每个凸棱的前侧面中部和后侧面中部之间均贯通开设有一个支撑孔217，且两个支撑孔217前后正对；第一个凸棱的后侧面、第二个凸棱的前侧面各开设有两个呈上下排列的支撑凹槽；四根紧固螺栓a205一一对应地贯穿四个装配孔b214，且四根紧固螺栓a205的尾端一一对应地旋拧于四个螺孔a216内；调节滑块206的左侧面与调节座204的正方形纵向立板右侧面接触；调节滑块206的左侧面和右侧面之间贯通开设有两个呈上下排列的螺孔b218；调节滑块206的前侧面和后侧面之间贯通开设有螺孔c219和两个呈上下排列的导向孔220；
调节螺杆208贯穿螺孔c219，且调节螺杆208的两端分别通过两个轴承207转动支撑于两个支撑孔217内；调节旋钮209同轴固定于调节螺杆208的后端面；两根导向杆210分别贯穿两个导向孔220；两根导向杆210的前端分别插设于第一个凸棱上的两个支撑凹槽内；两根导向杆210的后端分别插设于第二个凸棱上的两个支撑凹槽内；夹持座b211包括正方形纵向立板、延伸设置于正方形纵向立板前端面的长方形纵向立板、延伸设置于长方形纵向立板左侧面的凸块；正方形纵向立板的左侧面与调节滑块206的右侧面接触；正方形纵向立板的左侧面和右侧面之间贯通开设有两个呈上下排列的装配孔c221，且两个装配孔c221分别与两个螺孔b218正对；凸块的上侧面和下侧面之间贯通开设有槽口朝前的夹持凹槽b222，且夹持凹槽b222的上下两端分别与两道夹持凹槽a215的槽口对应；两根紧固螺栓b212分别贯穿两个装配孔c221，且两根紧固螺栓b212的尾端分别旋拧于两个螺孔b218内；所述能量转化机构包括弹性梁301、一对压电复合纤维材料片302、方柱形钝头体303、连接座305；弹性梁301呈纵向设置；弹性梁301的左侧面和右侧面之间贯通开设有两道沿长度方向设置且呈上下排列的隔离缝隙304；两道隔离缝隙304的前端均封闭、后端均贯通弹性梁301的后端面；两道隔离缝隙304将弹性梁301分隔为上部梁段、中间梁段、下部梁段；上部梁段的后端、下部梁段的后端分别固定嵌设于两道夹持凹槽a215内；中间梁段的后端固定嵌设于夹持凹槽b222内；一对压电复合纤维材料片302左右对称地分别粘附固定于弹性梁301的中间梁段的左侧面和右侧面；方柱形钝头体303呈竖向设置，且方柱形钝头体303通过连接座305固定于弹性梁301的前端。
43.所述夹持座a201、夹持座b211均采用聚乳酸制成。
44.所述调节座204、调节滑块206、轴承207、调节螺杆208、调节旋钮209、导向杆210均采用钢制成。
45.所述紧固螺栓a205、紧固螺栓b212均为内六角螺栓；所述轴承207为滚珠轴承。
46.所述弹性梁301为钢质弹性梁或铜质弹性梁。
47.所述方柱形钝头体303采用聚乳酸或聚苯乙烯泡沫塑料制成。
48.所述连接座305包括矩形横向立板、延伸设置于矩形横向立板后侧面且呈竖向设置的凸棱；矩形横向立板的前侧面与方柱形钝头体303的后侧面中部固定；凸棱的上端面和下端面之间贯通开设有槽口朝后的连接凹槽306；弹性梁301的前端固定嵌设于连接凹槽306内。
49.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。