بررسی تئوری مکانیزم نوسانی-ضربه‌ای براساس آپکانورژن فرکانس در محرک‌های فرکانس پایین
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی ، صفحه 1-9 (9)
کد مقاله : 1011-ISAV2022 (R1)
نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
چکیده
در این پژوهش، روشی جهت آپکانورژن فرکانس مکانیکی با استفاده از یک آونگ پیشنهاد می‌شود که بتواند انتقال توان را افزایش و دامنه ارتعاش را نسبت به آونگ ساده تحت تحریک با پهنای باند گسترده در محدوده فرکانس‌های کمتر از فرکانس رزونانس سازه کاهش دهد. سازه پیشنهادی شامل یک آونگ است که در نزدیکی یک ضربه‌گیر با ضریب جهندگی زیاد قرار دارد. وجود ضربه‌گیر، دامنه جابجایی جرم را کاهش می‌دهد و همزمان اثر آپکانورژن فرکانس، امکان استفاده از سازه‌ای با فرکانس بالاتر از فرکانس تحریک را فراهم می‌کند. هردوی این اثرات، منجر به کوچکتر شدن اندازه دستگاه می‌شوند. این سازه می‌تواند جهت بکارگیری در یک استحصال‌گر انرژی با فرکانس پایین استفاده شود. بدین منظور در ابتدا اصول عملکرد دستگاه مورد بحث قرار می‌گیرد و مدلی ریاضی از سازه بیان می‌شود. مدل ریاضی، جهت شبیه‌سازی به منظور تجزیه و تحلیل دینامیک سازه مورد استفاده می‌گیرد. آزمایش‌ها با استفاده از تحریک با پهنای باند گسترده به منظور مدل‌سازی دقیقتر از ارتعاشات واقعی انجام می‌شود. با استفاده از نتایج، نشان داده می‌شود که مکانیزم آپکانورژن فرکانس توانایی افزایش عملکرد در مقایسه با سازه‌ای با آونگ ساده را دارد.
کلیدواژه ها
Title
Theory of Vibro-Impact Mechanism, Based on Frequency Up-Conversion at Low-Frequency Exciters
Authors
Aref Afsharfard, Shahryar Nazari Abkenar
Abstract
In this study, a method for mechanical frequency up-conversion using a pendulum is proposed, which can increase the power transfer and reduce the vibration amplitude compared to the simple pendulum under wide-band excitation frequencies lower than the resonance frequency of the structure. The proposed structure consists of a pendulum that is located near a shock absorber with a high restitution coefficient. The presence of shock absorber reduces the displacement of the mass, while the frequency up-conversion effect allows the use of a structure with a resonant frequency higher than the excitation frequency. Both of these effects lead to a smaller device size. This structure can also be used in a low frequency energy harvester. For this purpose, the principles of operation are discussed and a mathematical model of the structure is expressed. The mathematical model is used for simulation in order to analyze the dynamics of the structure. Simulations are performed using a wide bandwidth excitation in order to more closely model real-world vibration conditions. It is shown that the frequency up-conversion mechanism has the ability to increase the performance compared to a simple pendulum structure.
Keywords
Frequency Up-Conversion, Impact, Low Frequency
مراجع
<p>1. H. C. Song, S. W. Kim, H. S. Kim, D. G. Lee, C. Y. Kang and S. Nahm, "Piezoelectric energy harvesting design principles for materials and structures: material figure‐of‐merit and self‐resonance tuning", Advanced Materials 32, 1–34 (2020).</p>
<p>2. N. Zhou, Z. Hou, Y. Zhang, J. Cao and C. R. Bowen, "Enhanced swing electromagnetic energy harvesting from human motion", Energy 228, 1–11 (2021).</p>
<p>3. K. Ashraf, M. H. M. Khir and J. O. Dennis, "Energy harvesting in a low frequency environment", National Postgraduate Conference, Perak, Malaysia, September 19-20 (2011).</p>
<p>4. H. Kulah and K. Najafi, "An electromagnetic micro power generator for low-frequency environmental vibrations", The 17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Maastricht, Netherlands, January 25-29 (2004).</p>
<p>5. H. Kulah and K. Najafi, "Energy scavenging from low-frequency vibrations by using frequency up-conversion for wireless sensor applications", IEEE Sensors Journal 8, 261–268 (2008).</p>
<p>6. I. Sari, T. Balkan and H. Külah, "An electromagnetic micro power generator for low-frequency environmental vibrations based on the frequency upconversion technique", Journal of Microelectromechanical systems 19, 14–27 (2009).</p>
<p>7. L. Gu and C. Livermore, "Impact-driven, frequency up-converting coupled vibration energy harvesting device for low frequency operation", Smart Materials and Structures 20, 1–10 (2011).</p>
<p>8. Y. Kuang, Z. Yang and M. Zhu, "Design and characterisation of a piezoelectric knee-joint energy harvester with frequency up-conversion through magnetic plucking", Smart Materials and Structures 25, 1–13 (2016).</p>
<p>9. L.-C. J. Blystad and E. Halvorsen, "A piezoelectric energy harvester with a mechanical end stop on one side", Microsystem technologies 17, 505–511 (2011).</p>
<p>10. X. Wang, B. Hu, Y. Ma, C. Chen and H. San, "A highly robust out-of-plane electrostatic vibration energy harvester with wide bandwidth", IEEE 13th Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS), Singapore, April 22-26 (2018).</p>
<p>11. M. Hara, H. Oguchi and H. Kuwano, "Lead-free (K, Na) NbO3 based impact type energy harvesters integrated with a cylindrical cavity for metal ball", IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Taipei, Taiwan, January 20-24 (2013).</p>
<p>12. M. L. Nagurka and S. Huang, "A mass-spring-damper model of a bouncing ball", International Journal of Enineerng Education 22, 393–401 (2006).</p>