Elucidation of self-tuning resonance phenomena in mechanical systems and their application to broadband energy harvesting
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20K04354
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
杉浦 壽彦 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70265932)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 自己調整共振 / 非線形ダイナミクス / 衝突振動 / エネルギーハーベスティング |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，両端を支持されたはりとその上を可動し得る付加質量とで構成される自己適応機構を製作し，周期的加振時の質量の動きとはりの応答を，高速度カメラによる動画撮影とレーザ変位計による振動数測定とから実験的に調べる．特に質量とはりの衝突と摩擦に起因する過渡的な非線形ダイナミクス現象の特徴を見出し，その非線形性を考慮した数学的モデリングに基づき，方程式の導出と解析を行って，自己共振メカニズムを明らかにする．次に，数値解析による機構パラメータ最適化を行い，さらに電気系まで連成させた広帯域振動エネルギーハーベスティング装置の実証を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，環境条件に応じて質量分布などを受動的に変化させて共振状態に至る自己適応機構の共振メカニズムの理論的解明とともに，その現象を応用した広帯域の振動エネルギーハーベスティングの実証を目的とする．対象とする機械システムは，外部から加振を受ける連続体と，それに沿ってスライドしうる可動性を有する付加質量とから成る．加振時には付加質量が過渡的に移動し，系の共振状態に達しうる．この種の問題の従来研究のほとんどは，可動条件を既知として与える．これに対して，自己共振現象では付加質量の並進運動は本体の振動と連成し，外部加振に対して受動的に決定する点，本質的に過渡的な動力学問題となる点，付加質量可動時に本体との摩擦と衝突という扱いの難しい非線形現象を本質的に含む点に，本研究課題の学術的独自性がある．
令和2年度における自己共振機構の製作・測定および数学的モデリングと解析，令和３年度におけるギャップ長による運動の質的変化の調査に続き，令和４年度は，加振周波数，加振振幅をパラメータとして，付加質量（スライダ）固定時と比較して，スライダ可動時，共振周波数帯域が広域化する様子を数値解析と実験で調べた．また，はりの幾何学的非線形性に起因するハードスプリング性とそれに伴う共振時のヒステリシス性を数値解析と実験で確認した．次に，広帯域に対応した振動エネルギーハーベスティング装置の実証とエネルギーの効率的回収を目指して，振動を電気エネルギーに変換するための電気回路系を連成させたシステムを製作して実験を実施した．具体的には，抵抗を含む電気回路に接続した圧電素子をはりに圧着して，機械振動を電気回路側の交流に変換した．これによって，自己共振の広帯域化に応じた発電電力応答の広帯域化を確認するとともに，圧電素子の位置と発電効率の関係を調べ，数値計算との対応を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和４年度に入ってコロナ禍の事態が改善し，大学キャンパス内研究室における研究活動の制限も緩和されたものの，令和３年度までのコロナ禍の影響により活動制限期間が長期に渡っていたことから，当初予定していた解析や実験を十分に進めて計画を達成しきることができなかったため．
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| Strategy for Future Research Activity |
自己共振メカニズムの解明のために，質量比，ガタ（はりと付加質量間）などをパラメータとして，非線形現象としての分岐の有無を引き続き解析的に調べる．さらに，はりと付加質量間のギャップが大きい場合の付加質量移動中の進行方向に対する前後振動に対するモデル化も検討する．また，質量とはりの衝突と摩擦を考慮した過渡的な非線形ダイナミクスの数値解析実施のために，先の非線形モデリングに基づいた数値積分とともに，有限要素 (FEM) 解析の適用を検討する．これらの数値解析により機構パラメータの最適化を行う．また，得られた最適化の結果について，実験による検証も目指す．さらに非接触支持により低減衰系となる超電導磁気浮上系（高温超電導材と永久磁石で構成）を振動系に用いて，共振時の振幅の増大を試みる．
次に，広帯域に対応した振動エネルギーハーベスティング装置の実証とエネルギーの効率的回収を目指して，電気回路系を機械振動系に連成させたシステムの製作と実験実施を継続する．昨年度までの圧電素子利用とは別の方法として．付加質量部に永久磁石を埋め込み，電気回路系にはコイルを用いて，付加質量の振動エネルギーを電磁誘導でコイルを含む電気回路側の交流に変換する方法も検討する．
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Report
(3 results)
Research Products
(4 results)
