振动能量俘获专题序

周生喜 陶 凯 秦卫阳

* (西北工业大学航空学院，西安 710129)

† (西北工业大学机电学院，西安 710129)

** (西北工业大学力学与土木建筑学院，西安 710129)

近年来，随着微机电系统、智能感知、片上系统和边缘计算等信息技术的快速发展，物联网、体域网、车联网、可穿戴电子设备等技术已广泛应用在智能制造、精准农业、现代生物医疗、生态环境监测、军事装备、智慧城市和交通等领域，并将在未来人工智能时代发挥重要的作用.这些智能网络由大量静止或移动的无线传感节点构成，它们可以实现物理信息感知、处理、存储和数据传输的功能.随着无线传感节点向着智能化和多元信息融合化发展，电能需求急剧增加，需要频繁地更换电池.然而，随着智能网的规模不断扩大和性能持续提升，无线传感节点的数量急剧增加，布置的区域和环境也更加广泛和恶劣，使得无线传感节点更换电池变得极为困难.因此，使用传统传感器的电池供电方式已成为制约智能网快速发展的重要因素之一.

为解决无线传感节点的供电问题，振动能量俘获技术应运而生.振动能量俘获(英文为vibration energy harvesting，中文也可翻译为振动能量收集/采集/捕获等)是指通过能量转换器件(压电材料、磁性、静电材料等)将环境或者宿主结构中的部分振动能量转换为可用能量(通常是电能)的过程，不仅能减弱宿主结构的有害振动，还可为低功耗微机电设备和无线传感器供电，以期进一步实现物联网的自供电，对实现在线智能健康监测及物联网的发展起着促进作用.目前，振动能量俘获已成为国内外研究热点之一.

振动能量俘获技术需要进行多学科交叉融合，只有能量俘获结构与外接电路协同工作并形成自供能系统，才能将环境或宿主结构的振动能量最终高效地转化为无线传感网络长久稳定的电能.通过解决一些非常棘手的力学难题，振动能量俘获系统的效率可以得到有效的提升，这其中包括能量俘获结构设计、动力学建模、理论分析、力电耦合机理的研究等.这是振动能量俘获技术在各个学科应用中所面临的挑战，同时也是一个共同发展、相互促进的机遇.通过突破振动能量俘获技术的瓶颈，将能量俘获推向更广的商业应用平台.

为了提高振动能量俘获系统的效率及其实用性，需要解决一些基本问题，包括:(1)如何设计与环境或宿主结构振动特征相匹配的能量俘获结构？(2)如何建立振动能量俘获器的精确动力学模型？(3)如何揭示其中的力电耦合机理？(4)如何高效存储振动能量俘获器产生的能量？围绕上述问题，《力学学报》组织了“振动能量俘获”这一专题.由于篇幅限制，该专题包含了3 篇综述论文和11 篇研究论文，从侧面反映了国内科研人员在该方向上的一部分最新研究进展，供读者参考.

西北工业大学杨涛和周生喜、哈尔滨工业大学曹庆杰、上海交通大学张文明、哈尔滨工业大学(深圳)陈立群撰写了非线性振动能量俘获技术若干进展的综述论文.首先，综述了非线性振动能量俘获技术近十年的研究进展，主要包括振动能量俘获结构设计理论、非线性宽频机理、动力学分析等方面的研究现状.其次，阐述了振动能量俘获与振动抑制一体化的主要研究成果，包括非线性准零刚度和非线性能量汇在振动能量俘获领域的应用.最后，总结了振动能量俘获系统的外接电路和主动控制策略的优化设计，分析了进一步提升非线性振动能量俘获效率的方法.

郑州大学李申芳和王军雷、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林综述了利用摩擦纳米发电机的流体能量俘获的最新进展.介绍了流体能量俘获摩擦纳米发电机(FEH-TENG)中的电荷转移原理以及基本工作模式，总结了FEH-TENG 在风能、流致振动能量以及在液体包括波浪和雨滴动能俘获的研究进展.同时介绍了FEH-TENG 的混合能量俘获系统、摩擦电材料优化以及FEH-TENG 在不同领域中的应用.讨论了目前FEH-TENG 在流体能量俘获中存在的问题并提出了展望.

西北工业大学陈楠、刘京睿和魏廷存撰写了关于振动能量俘获电能管理电路的综述论文.基于压电振动能量俘获器的机电模型，详细分析了多种压电振动能量俘获器的电能管理电路的优缺点.针对压电振动能量俘获器的特点，分析了实现最大能量俘获的几种典型控制算法，包括最大功率点跟踪、阻抗匹配和同步电荷提取控制算法.通过对面向压电振动能量俘获器的电能管理电路的全面分析和综述，揭示了该领域目前存在的瓶颈问题，并展望了其未来发展方向.

湖南工程学院邹鸿翔、郭丁华、甘崇早和魏克湘，湘潭永达机械制造有限公司唐曙光、袁俊，上海交通大学张文明撰写了磁力耦合道路能量采集设计与动力学分析的研究论文.提出了一种磁力耦合道路能量采集设计，通过引入磁力进行无接触能量传递，减小了装置受到的冲击并使得装置具有良好密封性，从而提升装置的鲁棒性，实现对道路车辆机械能的可靠采集.同时，通过设计升频和单向旋转机构提高了系统的电学性能.所提出的设计可以为成为未来智慧交通系统的重要组成部分，俘获车辆机械能为交通环境中小型机电系统提供可持续的绿色无碳电力.

上海大学孟莹、丁虎和陈立群撰写了考虑附加质量接触面积的压电圆板能量采集器振动分析的研究论文.他们基于广义哈密顿原理建立了带附加质量块的压电圆板能量采集器的机电耦合方程，并采用伽辽金法对该方程近似离散，进而得到电压、功率输出和最优负载阻抗的闭合解.用有限元软件验证理论模型正确性.数值分析表明，相较于无孔的压电片，压电片内径的合理选择可以提高能量采集器的采集性能.当质量块与复合板的接触半径足够小，质量块与复合圆板的接触面积可以忽略.

上海交通大学赵林川、刘丰瑞和张文明，湖南工程学院邹鸿翔和魏克湘撰写了压电与摩擦电复合型旋转能量采集动力学协同调控机制研究的论文.他们提出了一种动力学协同调控机制用于低转速下旋转能量采集，实现了压电与摩擦两种机电转换机制分别在振动和碰撞过程协同发电，提高了旋转能量采集系统的电学性能，为能量采集系统动力学和电学性能改进提供新的途径，可以为物联网中的传感器提供零碳环保、灵活便捷、可持续的电能.

上海大学赵龙、陆泽琦、丁虎和陈立群撰写了低频振动隔离和能量采集双功能超材料的研究论文.他们通过周期性放置转动能量采集谐振器，设计产生了局域共振带隙.建立了局域共振双功能超材料梁的动力学模型，解析、数值和实验综合研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的能带结构和频响，分析了不同参数对一维/二维超材料带隙特性的影响.发现了在局域共振带隙频率范围内，宿主结构振动被有效抑制;同时振动被局限在谐振器中，进而感应电压达到最大值.

西安交通大学张颖和曹军义、郑州大学王伟撰写了多稳态非线性俘能系统的磁力建模和性能优化的研究论文.他们建立了多稳态俘能系统的磁力模型，准确表征了不同结构尺寸参数条件下的系统非线性特征.同时，实验测量验证了该模型相对于传统方法能够更准确地表述多稳态系统的磁力，并探究了系统稳态临界点的位置以及不同结构参数条件下的系统俘能输出，实现了多稳态俘能输出性能的结构参数优化.

西安科技大学张旭辉、陈路阳、陈孝玉、徐冬梅、朱福林和郭岩撰写了基于线形与拱形组合梁式压电俘能器动力学建模与俘能特性分析的研究论文.面向煤矿井下采掘设备激励环境，设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器，建立了动力学模型，分析压电俘能器磁铁间距、激励强度对动力学特性的影响.并通过实验验证了理论分析的准确性，研究表明:选择合适的磁间距可使系统在低水平激励下实现大幅响应，有效提高俘能效率，研究为低频激励下压电俘能器的设计提供了理论指导.

中北大学李海涛、曹帆、任和，上海大学丁虎、陈立群撰写了流致振动能量收集的钝头体几何设计研究研究论文.他们实验研究了不同截面下钝头体以及它们的宽厚比(W/T)对流致振动能量收集特性的影响，并通过计算流体力学分析了尾流特性.发现当钝头体截面为矩形时，增大宽厚比可以通过驰振显著提高电压输出峰值;当钝头体为三角形和D 形时，增大宽厚比将使系统呈现“驰振”→“驰振+涡激振动”→“涡激振动”响应特性变化趋势，提高了低风速时的能量收集效果.

哈尔滨工业大学田海港、单小彪、张居彬、隋广东和谢涛撰写了翼型颤振压电俘能器的输出特性研究的研究论文.提出了一种新颖的翼型颤振压电俘能器.基于非定常气动力模型，推导了翼型颤振压电俘能器流、固、电耦合场的数学模型.建立了有限元模型，模拟机翼的沉浮与俯仰二自由度运动，并获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性.表明交替的压力差驱动机翼发生了二自由度沉浮与俯仰运动.可获得的最大输出电压为17.88 V 和输出功率为1.278 mW，功率密度为7.99 mW/cm3.

西安电子科技大学郭纪元、樊康旗、张妍、杨雨森和马晓宇撰写了线绳驱动转速提升式低频俘能器的设计与研究论文.采用线绳驱动转轴结构将低频振动转换为双向旋转运动，再通过刚度可自动改变的拨片和磁齿轮升速机构将双向旋转运动转换为转速更高的单向旋转运动.建立了俘能器的机电耦合动力学模型，理论结果与实验结果有较好的匹配.研究发现，通过引入2.5 倍转速提升功能的磁齿轮，俘能器的输出功率提升了143%.

西南石油大学和工程安全评估与防护研究院赵翔、西南石油大学李思谊、西南交通大学李映辉撰写了基于振动能量俘获的弯曲结构损伤监测的研究论文.利用格林函数法建立了含多裂纹的悬臂式曲梁压电俘能器在强迫振动下的动力学模型，并考虑了阻尼对模型的影响.对该力电耦合振动方程解耦后，得到该模型的输出电压，同时提出逆方法，即根据由振动引起的俘能器电压与频率关系来监测曲梁结构中的损伤情况.

南京航空航天大学刘轩、吴义鹏、裘进浩和季宏丽撰写了基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术的研究论文，从接口电路角度分析并实现了提高压电振动系统机、电能量转化的优化控制方法.该方法巧妙地利用了反激变压器原、副边能量转换特征，结合简单的同步开关控制算法，同时实现了用于压电振动能量收集的机电能量转化，以及用于压电结构振动控制的电机能量转化.借助接口电路的调幅、调相功能，压电系统的电压和结构振动速度可以始终保持相同的相位，相比于被动式压电电荷能收集和主动式压电振动控制，所提出的技术方案具有更高的振动能量收集或控制效率.