周生喜 陶 凱 秦衛(wèi)陽

* (西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安 710129)

? (西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710129)

** (西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710129)

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、智能感知、片上系統(tǒng)和邊緣計算等信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、體域網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、可穿戴電子設(shè)備等技術(shù)已廣泛應(yīng)用在智能制造、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代生物醫(yī)療、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、軍事裝備、智慧城市和交通等領(lǐng)域，并將在未來人工智能時代發(fā)揮重要的作用.這些智能網(wǎng)絡(luò)由大量靜止或移動的無線傳感節(jié)點構(gòu)成，它們可以實現(xiàn)物理信息感知、處理、存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?隨著無線傳感節(jié)點向著智能化和多元信息融合化發(fā)展，電能需求急劇增加，需要頻繁地更換電池.然而，隨著智能網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大和性能持續(xù)提升，無線傳感節(jié)點的數(shù)量急劇增加，布置的區(qū)域和環(huán)境也更加廣泛和惡劣，使得無線傳感節(jié)點更換電池變得極為困難.因此，使用傳統(tǒng)傳感器的電池供電方式已成為制約智能網(wǎng)快速發(fā)展的重要因素之一.

為解決無線傳感節(jié)點的供電問題，振動能量俘獲技術(shù)應(yīng)運而生.振動能量俘獲(英文為vibration energy harvesting，中文也可翻譯為振動能量收集/采集/捕獲等)是指通過能量轉(zhuǎn)換器件(壓電材料、磁性、靜電材料等)將環(huán)境或者宿主結(jié)構(gòu)中的部分振動能量轉(zhuǎn)換為可用能量(通常是電能)的過程，不僅能減弱宿主結(jié)構(gòu)的有害振動，還可為低功耗微機(jī)電設(shè)備和無線傳感器供電，以期進(jìn)一步實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的自供電，對實現(xiàn)在線智能健康監(jiān)測及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著促進(jìn)作用.目前，振動能量俘獲已成為國內(nèi)外研究熱點之一.

振動能量俘獲技術(shù)需要進(jìn)行多學(xué)科交叉融合，只有能量俘獲結(jié)構(gòu)與外接電路協(xié)同工作并形成自供能系統(tǒng)，才能將環(huán)境或宿主結(jié)構(gòu)的振動能量最終高效地轉(zhuǎn)化為無線傳感網(wǎng)絡(luò)長久穩(wěn)定的電能.通過解決一些非常棘手的力學(xué)難題，振動能量俘獲系統(tǒng)的效率可以得到有效的提升，這其中包括能量俘獲結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)建模、理論分析、力電耦合機(jī)理的研究等.這是振動能量俘獲技術(shù)在各個學(xué)科應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)，同時也是一個共同發(fā)展、相互促進(jìn)的機(jī)遇.通過突破振動能量俘獲技術(shù)的瓶頸，將能量俘獲推向更廣的商業(yè)應(yīng)用平臺.

為了提高振動能量俘獲系統(tǒng)的效率及其實用性，需要解決一些基本問題，包括:(1)如何設(shè)計與環(huán)境或宿主結(jié)構(gòu)振動特征相匹配的能量俘獲結(jié)構(gòu)？(2)如何建立振動能量俘獲器的精確動力學(xué)模型？(3)如何揭示其中的力電耦合機(jī)理？(4)如何高效存儲振動能量俘獲器產(chǎn)生的能量？圍繞上述問題，《力學(xué)學(xué)報》組織了“振動能量俘獲”這一專題.由于篇幅限制，該專題包含了3 篇綜述論文和11 篇研究論文，從側(cè)面反映了國內(nèi)科研人員在該方向上的一部分最新研究進(jìn)展，供讀者參考.

西北工業(yè)大學(xué)楊濤和周生喜、哈爾濱工業(yè)大學(xué)曹慶杰、上海交通大學(xué)張文明、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)陳立群撰寫了非線性振動能量俘獲技術(shù)若干進(jìn)展的綜述論文.首先，綜述了非線性振動能量俘獲技術(shù)近十年的研究進(jìn)展，主要包括振動能量俘獲結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、非線性寬頻機(jī)理、動力學(xué)分析等方面的研究現(xiàn)狀.其次，闡述了振動能量俘獲與振動抑制一體化的主要研究成果，包括非線性準(zhǔn)零剛度和非線性能量匯在振動能量俘獲領(lǐng)域的應(yīng)用.最后，總結(jié)了振動能量俘獲系統(tǒng)的外接電路和主動控制策略的優(yōu)化設(shè)計，分析了進(jìn)一步提升非線性振動能量俘獲效率的方法.

鄭州大學(xué)李申芳和王軍雷、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林綜述了利用摩擦納米發(fā)電機(jī)的流體能量俘獲的最新進(jìn)展.介紹了流體能量俘獲摩擦納米發(fā)電機(jī)(FEH-TENG)中的電荷轉(zhuǎn)移原理以及基本工作模式，總結(jié)了FEH-TENG 在風(fēng)能、流致振動能量以及在液體包括波浪和雨滴動能俘獲的研究進(jìn)展.同時介紹了FEH-TENG 的混合能量俘獲系統(tǒng)、摩擦電材料優(yōu)化以及FEH-TENG 在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用.討論了目前FEH-TENG 在流體能量俘獲中存在的問題并提出了展望.

西北工業(yè)大學(xué)陳楠、劉京睿和魏廷存撰寫了關(guān)于振動能量俘獲電能管理電路的綜述論文.基于壓電振動能量俘獲器的機(jī)電模型，詳細(xì)分析了多種壓電振動能量俘獲器的電能管理電路的優(yōu)缺點.針對壓電振動能量俘獲器的特點，分析了實現(xiàn)最大能量俘獲的幾種典型控制算法，包括最大功率點跟蹤、阻抗匹配和同步電荷提取控制算法.通過對面向壓電振動能量俘獲器的電能管理電路的全面分析和綜述，揭示了該領(lǐng)域目前存在的瓶頸問題，并展望了其未來發(fā)展方向.

湖南工程學(xué)院鄒鴻翔、郭丁華、甘崇早和魏克湘，湘潭永達(dá)機(jī)械制造有限公司唐曙光、袁俊，上海交通大學(xué)張文明撰寫了磁力耦合道路能量采集設(shè)計與動力學(xué)分析的研究論文.提出了一種磁力耦合道路能量采集設(shè)計，通過引入磁力進(jìn)行無接觸能量傳遞，減小了裝置受到的沖擊并使得裝置具有良好密封性，從而提升裝置的魯棒性，實現(xiàn)對道路車輛機(jī)械能的可靠采集.同時，通過設(shè)計升頻和單向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提高了系統(tǒng)的電學(xué)性能.所提出的設(shè)計可以為成為未來智慧交通系統(tǒng)的重要組成部分，俘獲車輛機(jī)械能為交通環(huán)境中小型機(jī)電系統(tǒng)提供可持續(xù)的綠色無碳電力.

上海大學(xué)孟瑩、丁虎和陳立群撰寫了考慮附加質(zhì)量接觸面積的壓電圓板能量采集器振動分析的研究論文.他們基于廣義哈密頓原理建立了帶附加質(zhì)量塊的壓電圓板能量采集器的機(jī)電耦合方程，并采用伽遼金法對該方程近似離散，進(jìn)而得到電壓、功率輸出和最優(yōu)負(fù)載阻抗的閉合解.用有限元軟件驗證理論模型正確性.數(shù)值分析表明，相較于無孔的壓電片，壓電片內(nèi)徑的合理選擇可以提高能量采集器的采集性能.當(dāng)質(zhì)量塊與復(fù)合板的接觸半徑足夠小，質(zhì)量塊與復(fù)合圓板的接觸面積可以忽略.

上海交通大學(xué)趙林川、劉豐瑞和張文明，湖南工程學(xué)院鄒鴻翔和魏克湘撰寫了壓電與摩擦電復(fù)合型旋轉(zhuǎn)能量采集動力學(xué)協(xié)同調(diào)控機(jī)制研究的論文.他們提出了一種動力學(xué)協(xié)同調(diào)控機(jī)制用于低轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)能量采集，實現(xiàn)了壓電與摩擦兩種機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制分別在振動和碰撞過程協(xié)同發(fā)電，提高了旋轉(zhuǎn)能量采集系統(tǒng)的電學(xué)性能，為能量采集系統(tǒng)動力學(xué)和電學(xué)性能改進(jìn)提供新的途徑，可以為物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器提供零碳環(huán)保、靈活便捷、可持續(xù)的電能.

上海大學(xué)趙龍、陸澤琦、丁虎和陳立群撰寫了低頻振動隔離和能量采集雙功能超材料的研究論文.他們通過周期性放置轉(zhuǎn)動能量采集諧振器，設(shè)計產(chǎn)生了局域共振帶隙.建立了局域共振雙功能超材料梁的動力學(xué)模型，解析、數(shù)值和實驗綜合研究了振動隔離和能量采集雙功能超材料的能帶結(jié)構(gòu)和頻響，分析了不同參數(shù)對一維/二維超材料帶隙特性的影響.發(fā)現(xiàn)了在局域共振帶隙頻率范圍內(nèi)，宿主結(jié)構(gòu)振動被有效抑制;同時振動被局限在諧振器中，進(jìn)而感應(yīng)電壓達(dá)到最大值.

西安交通大學(xué)張穎和曹軍義、鄭州大學(xué)王偉撰寫了多穩(wěn)態(tài)非線性俘能系統(tǒng)的磁力建模和性能優(yōu)化的研究論文.他們建立了多穩(wěn)態(tài)俘能系統(tǒng)的磁力模型，準(zhǔn)確表征了不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)條件下的系統(tǒng)非線性特征.同時，實驗測量驗證了該模型相對于傳統(tǒng)方法能夠更準(zhǔn)確地表述多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的磁力，并探究了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)臨界點的位置以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的系統(tǒng)俘能輸出，實現(xiàn)了多穩(wěn)態(tài)俘能輸出性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化.

西安科技大學(xué)張旭輝、陳路陽、陳孝玉、徐冬梅、朱福林和郭巖撰寫了基于線形與拱形組合梁式壓電俘能器動力學(xué)建模與俘能特性分析的研究論文.面向煤礦井下采掘設(shè)備激勵環(huán)境，設(shè)計了一種線形-拱形組合梁式三穩(wěn)態(tài)壓電俘能器，建立了動力學(xué)模型，分析壓電俘能器磁鐵間距、激勵強(qiáng)度對動力學(xué)特性的影響.并通過實驗驗證了理論分析的準(zhǔn)確性，研究表明:選擇合適的磁間距可使系統(tǒng)在低水平激勵下實現(xiàn)大幅響應(yīng)，有效提高俘能效率，研究為低頻激勵下壓電俘能器的設(shè)計提供了理論指導(dǎo).

中北大學(xué)李海濤、曹帆、任和，上海大學(xué)丁虎、陳立群撰寫了流致振動能量收集的鈍頭體幾何設(shè)計研究研究論文.他們實驗研究了不同截面下鈍頭體以及它們的寬厚比(W/T)對流致振動能量收集特性的影響，并通過計算流體力學(xué)分析了尾流特性.發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈍頭體截面為矩形時，增大寬厚比可以通過馳振顯著提高電壓輸出峰值;當(dāng)鈍頭體為三角形和D 形時，增大寬厚比將使系統(tǒng)呈現(xiàn)“馳振”→“馳振+渦激振動”→“渦激振動”響應(yīng)特性變化趨勢，提高了低風(fēng)速時的能量收集效果.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)田海港、單小彪、張居彬、隋廣東和謝濤撰寫了翼型顫振壓電俘能器的輸出特性研究的研究論文.提出了一種新穎的翼型顫振壓電俘能器.基于非定常氣動力模型，推導(dǎo)了翼型顫振壓電俘能器流、固、電耦合場的數(shù)學(xué)模型.建立了有限元模型，模擬機(jī)翼的沉浮與俯仰二自由度運動，并獲得機(jī)翼附近的渦旋脫落和流場特性.表明交替的壓力差驅(qū)動機(jī)翼發(fā)生了二自由度沉浮與俯仰運動.可獲得的最大輸出電壓為17.88 V 和輸出功率為1.278 mW，功率密度為7.99 mW/cm3.

西安電子科技大學(xué)郭紀(jì)元、樊康旗、張妍、楊雨森和馬曉宇撰寫了線繩驅(qū)動轉(zhuǎn)速提升式低頻俘能器的設(shè)計與研究論文.采用線繩驅(qū)動轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)將低頻振動轉(zhuǎn)換為雙向旋轉(zhuǎn)運動，再通過剛度可自動改變的撥片和磁齒輪升速機(jī)構(gòu)將雙向旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速更高的單向旋轉(zhuǎn)運動.建立了俘能器的機(jī)電耦合動力學(xué)模型，理論結(jié)果與實驗結(jié)果有較好的匹配.研究發(fā)現(xiàn)，通過引入2.5 倍轉(zhuǎn)速提升功能的磁齒輪，俘能器的輸出功率提升了143%.

西南石油大學(xué)和工程安全評估與防護(hù)研究院趙翔、西南石油大學(xué)李思誼、西南交通大學(xué)李映輝撰寫了基于振動能量俘獲的彎曲結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的研究論文.利用格林函數(shù)法建立了含多裂紋的懸臂式曲梁壓電俘能器在強(qiáng)迫振動下的動力學(xué)模型，并考慮了阻尼對模型的影響.對該力電耦合振動方程解耦后，得到該模型的輸出電壓，同時提出逆方法，即根據(jù)由振動引起的俘能器電壓與頻率關(guān)系來監(jiān)測曲梁結(jié)構(gòu)中的損傷情況.

南京航空航天大學(xué)劉軒、吳義鵬、裘進(jìn)浩和季宏麗撰寫了基于反激變壓器的壓電振動能量雙向操控技術(shù)的研究論文，從接口電路角度分析并實現(xiàn)了提高壓電振動系統(tǒng)機(jī)、電能量轉(zhuǎn)化的優(yōu)化控制方法.該方法巧妙地利用了反激變壓器原、副邊能量轉(zhuǎn)換特征，結(jié)合簡單的同步開關(guān)控制算法，同時實現(xiàn)了用于壓電振動能量收集的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化，以及用于壓電結(jié)構(gòu)振動控制的電機(jī)能量轉(zhuǎn)化.借助接口電路的調(diào)幅、調(diào)相功能，壓電系統(tǒng)的電壓和結(jié)構(gòu)振動速度可以始終保持相同的相位，相比于被動式壓電電荷能收集和主動式壓電振動控制，所提出的技術(shù)方案具有更高的振動能量收集或控制效率.