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A quasi-zero-stiffness device capable of vibration isolation and energy harvesting using piezoelectric buckled beams

隔振 传递率(结构动力学) 能量收集 悬臂梁 隔离器 刚度 振动 压电 声学 能量(信号处理) 功率(物理) 谐波平衡 谐波 工程类 材料科学 结构工程 电气工程 物理 非线性系统 量子力学
作者
Chaoran Liu,Rui Zhao,Kaiping Yu,Heow Pueh Lee,Baopeng Liao
出处
期刊:Energy [Elsevier]
卷期号:233: 121146-121146 被引量:156
标识
DOI:10.1016/j.energy.2021.121146
摘要

A quasi-zero-stiffness (QZS) device is proposed for both vibration isolation and energy harvesting based on a concept of converting part of the vibrational energy into electrical energy and concurrently reducing the energy transmitted to the vibration receiver. The proposed device is constructed by four piezoelectric buckled beams and a vertical spring. The structural layout of the piezoelectric buckled beams has two benefits: firstly it produces negative stiffness in the vibration direction and thus offers the benefit of lowering the beginning frequency of isolation; secondly it always enables large strain and stress for the piezoelectric patches and thus leads to higher electrical output. The harmonic balance method is employed for the dynamic analysis based on the electromechanical coupled equations. The isolation performance is compared with a linear isolator and a conventional QZS isolator, which indicates that the proposed device can achieve lower isolation frequency and lower peak transmissibility. The energy harvesting performance is compared with the cantilever-beam energy harvester, which indicates that the proposed device can achieve higher output power and lower operating frequencies. The superior performances are also demonstrated by experiments, in which the lowest isolation frequency of 2.5 Hz and the maximum output power of 8.31 mW are obtained. • Dual-objective device for vibration isolation and energy harvesting is proposed. • Quasi-zero-stiffness characteristic facilitates low frequency operation. • Large strain and stress are always maintained for higher electrical output. • Superior performances in vibration isolation and energy harvesting are validated. • Experiments are conducted to demonstrate the superior performances.
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