一种摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法技术

本发明专利技术公开了一种摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法，包括以下步骤：将两片摩擦纳米发电机安装到实验台上，使两片发电机能发生接触和分离运动，对其进行力学和电学测试，得到受力和位移间的关系图以及电压输出数据；分别建立两片摩擦纳米发电机在接触和分离时的键合图模型，推导出系统状态方程；通过实验数据求取键合图模型中对应的具体参数数值，代入状态方程求解数学模型，将键合图模型转化为对应的方块图；结合数学模型和方块图，建立仿真模型，得到仿真电压数据，将仿真电压数据和电压输出数据进行比较，验证键合图模型的有效性；分析键合图模型的不同参数，得到不同参数对摩擦纳米发电机输出性能产生的影响；本发明专利技术能简便分析出发电机的工作机理。便分析出发电机的工作机理。便分析出发电机的工作机理。

【技术实现步骤摘要】
一种摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法


[0001]本专利技术涉及纳米能源
，特别是一种摩擦纳米发电机的力电耦合分 析方法。

技术介绍

[0002]摩擦纳米发电机自王中林院士及其团队2012年专利技术以来，便在能源与传感 领域取得了惊人的发展和应用。摩擦纳米发电技术的核心原理是接触起电和静 电感应的耦合。而其中接触起电俗称摩擦电，早在2600年以前就出现了记载， 但是直到目前为止，有关接触起电的科学解释还没有达成共识。其原因是接触 起电本身作用机理复杂，涉及力、电、磁、介质极化等等多物理量耦合作用。 不仅理论复杂，而且在实际实验操作中有关性能控制的实验效果往往都不理想， 且费时费力。
[0003]随着科学技术的发展，各种各样的工程系统越来越复杂，既有系统本身的 结构复杂化，也有多物理量耦合作用。目前摩擦纳米发电机的等效电路模型是 理想电压源和电容的串联，该模型只涉及摩擦纳米发电机工作过程的电路元件， 并不能充分描述摩擦纳米发电机的工作机理，如果单纯依靠建立数学模型来描 述摩擦纳米发电机的工作过程，由于多物理量耦合作用，所建立的数学模型不 仅非常复杂，而且往往难以求解。

技术实现思路

[0004]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳 实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省 略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不 能用于限制本专利技术的范围。
[0005]鉴于上述和/或现有的摩擦纳米发电机工作机理难解中存在的问题，提出了 本专利技术。
[0006]因此，本专利技术所要解决的问题在于现有技术中研究摩擦纳米发电机的工作 机理的模型太复杂，难以求解，而本专利技术提供一种摩擦纳米发电机的力电耦合 分析方法，其能简便地分析出摩擦纳米发电机的工作机理。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种摩擦纳米发电机的 力电耦合分析方法，其包括以下步骤，
[0008]将两片摩擦纳米发电机安装到实验台上，使两片发电机能发生接触和分离 运动，对其进行力学和电学测试，测试时两片摩擦纳米发电机发生接触和分离 运动，得到受力和位移间的关系图以及摩擦纳米发电机的电压输出数据；
[0009]分别建立两片摩擦纳米发电机在接触和分离时的键合图模型，推导出系统 状态方程；
[0010]将键合图模型转化为对应的方块图，结合方块图和实际运行条件，建立摩 擦纳米发电机动态仿真模型；
[0011]通过实验数据来求取键合图模型所对应的具体参数数值，代入动态仿真模 型，得到仿真实验中的电压数据，将仿真实验中的电压数据和实际实验得到的 电压输出数据进行比较，验证键合图模型的有效性；
[0012]分析键合图模型的不同参数，得到不同参数对摩擦纳米发电机输出性能产 生的影响。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，两片摩擦纳米发电机接触时的键合图模型为， 设系统状态变量X＝[p
2 q
5 q9]T
，输入变量U＝[Se1]；
[0014]各储能元件特性方程如下：
[0015][0016]各阻性元件特性方程如下：
[0017][0018]由因果关系和功率流方向得到的流方程、势方程如下，
[0019][0020]其中，f2＝f3＝f4,e4＝e5＝e6＝e7,f7＝f8＝f9；
[0021]Se1为摩擦纳米发电机接触过程的势输入机械力，I2为摩擦纳米发电机在接 触前储存的能量(m1为摩擦纳米发电机的质量，p2为摩擦纳米发电机具有的动量)， R3为摩擦纳米发电机接触前克服空气阻力消耗的能量，C5代表两块摩擦纳米发 电机接触的瞬间，两块摩擦纳米发电机表面发生弹性形变储存的能量，R6为接 触瞬间产生的塑性变形、声波以及惯性能量消耗的能量，e6为R6部分能量的统 一势变量力，R8为接触瞬间接触放电消耗的能量,C9为接触瞬间产生的接触电荷， e3为空气阻力的势变量力，e4为键合图模型4号键的势变量，e5为弹性变形储能的 势变量力，e7和f7分别为接触键合图模型7号键的势变量和流变量，表示能量 流动方向，e8为发生接触放电的势变量电压，f2为摩擦纳米发电机储存能量的流 变量速度，f3为空气阻力的流变量速度，f4为键合图模型4号键的流变量，f8为发 生接触放电的流变量电流,f9为接触电荷的流变量电流，k2为恢复弹性变形过程 中的弹性系数，q11为恢复弹性变形中的广义位移，p12为分离过程中摩擦纳米 发电机的广义动量，分别为状态变量p2、q5、q9的一阶导数。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，接触时的系统状态方程为，
[0023][0024]其中，k1为发生弹性变形的弹性系数，p2、q5、q9分别为键合图元2的广义 动量、键合图元5的广义位移和键合图元9的广义位移，分别为状态变量 p2、q5、q9的一阶导数。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，两片摩擦纳米发电机分离时的键合图模型为， 设系统状态变量X＝[q
11 p
12 p
15 q
21
]T
，输入变量U＝[Sf
10 e
18
]T
；
[0026]各储能元件特性方程如下：
[0027][0028]各阻性元件特性方程如下：
[0029][0030]由因果关系和功率流方向可列写的流方程、势方程如下，
[0031][0032]e
11
＝e
12
＝e
13
＝e
14
,f
14
＝f
15
＝f
16
＝f
17
,e
17
＝e
18
＝e
19
,
[0033][0034]Sf
10
为摩擦纳米发电机系统分离过程的流输入速度，C
11
为两个TENG片恢复 原状时弹性形变释放的能量，e
11
和f
11
分别为弹性变形释放能量的势变量力和流 变量速度；I
12
为摩擦纳米发电机分离过程消耗的动能，e
12
和f
12
分别为摩擦纳米 发电机分离过程消耗能量的势变量力和流变量速度；R
13
为分离过程克服空气阻 力以及抵消接触过程产生的惯性力等消耗的能量，e
13
和f
13
为分离过程克服静电 力所消耗能量的势变量力和流变量速度；e
14
和f
14
分别为键合图模型14号键的势 变量和流变量；I
15
为分离过程由于变化电场激发的磁场所消耗的能量,e
15
和f
15
为该部分能量的势变量电压和流变量电流；e
17
和f
17
分别为键合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法，其特征在于：包括以下步骤，将两片摩擦纳米发电机(1)安装到实验台上，使两片发电机能发生接触和分离运动，对其进行力学和电学测试，测试时两片摩擦纳米发电机(1)发生接触和分离运动，得到受力和位移间的关系图以及摩擦纳米发电机(1)的电压输出数据；分别建立两片摩擦纳米发电机(1)在接触和分离时的键合图模型，推导出系统状态方程；将键合图模型转化为对应的方块图，结合方块图和实际运行条件，建立摩擦纳米发电机(1)动态仿真模型；通过实验数据来求取键合图模型所对应的具体参数数值，代入动态仿真模型，得到仿真实验中的电压数据，将仿真实验中的电压数据和实际实验得到的电压输出数据进行比较，验证键合图模型的有效性；分析键合图模型的不同参数，得到不同参数对摩擦纳米发电机(1)输出性能产生的影响。2.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法，其特征在于：两片摩擦纳米发电机(1)接触时的键合图模型为，设系统状态变量X＝[p
2 q
5 q9]
T
，输入变量U＝[Se1]；各储能元件特性方程如下：各阻性元件特性方程如下：由因果关系和功率流方向得到的流方程、势方程如下，其中，f2＝f3＝f4,e4＝e5＝e6＝e7,f7＝f8＝f9；Se1为摩擦纳米发电机(1)接触过程的势输入机械力，I2为摩擦纳米发电机(1)在接触前储存的能量(m1为摩擦纳米发电机(1)的质量，p2为摩擦纳米发电机(1)具有的动量)，R3为摩擦纳米发电机(1)接触前克服空气阻力消耗的能量，C5代表两块摩擦纳米发电机(1)接触的瞬间，两块摩擦纳米发电机(1)表面发生弹性形变储存的能量，R6为接触瞬间产生的塑性变
形、声波以及惯性能量消耗的能量，e6为R6部分能量的统一势变量力，R8为接触瞬间接触放电消耗的能量,C9为接触瞬间产生的接触电荷，e3为空气阻力的势变量力，e4为键合图模型4号键的势变量，e5为弹性变形储能的势变量力，e7和f7分别为接触键合图模型7号键的势变量和流变量，表示能量流动方向，e8为发生接触放电的势变量电压，f2为摩擦纳米发电机(1)储存能量的流变量速度，f3为空气阻力的流变量速度，f4为键合图模型4号键的流变量，f8为发生接触放电的流变量电流,f9为接触电荷的流变量电流，k2为恢复弹性变形过程中的弹性系数，q11为恢复弹性变形中的广义位移，p12为分离过程中摩擦纳米发电机(1)的广义动量，分别为状态变量p2、q5、q9的一阶导数。3.如权利要求2所述的摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法，其特征在于：接触时的系统状态方程为，其中，k1为发生弹性变形的弹性系数，p2、q5、q9分别为键合图元2的广义动量、键合图元5的广义位移和键合图元9的广义位移，分别为状态变量p2、q5、q9的一阶导数。4.如权利要求1～3任一项所述的摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法，其特征在于：两片摩擦纳米发电机(1)分离时的键合图模型为，设系统状态变量X＝[q
11 p
12 p
15 q
21
]
T
，输入变量U＝[Sf
10 e
18
]
T
；各储能元件特性方程如下：各阻性元件特性方程如下：由因果关系和功率流方向可列写的流方程、势方程如下，
e
11
＝e
12
＝e
13

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏程，沈辉，关栋，李竞，张纯，田逸清，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：