惯性器增强型压电能量采集技术在车辆引起的桥梁振动中的应用：分析建模与最优参数设计

《Mechanical Systems and Signal Processing》：Inerter-enhanced piezoelectric energy harvesting for vehicle-induced bridge vibrations: Analytical modeling and optimal parameter design

低频振动能量收集：内卷器增强的压电能量收集器设计与性能分析。提出串联和并联两种内卷器增强的压电能量收集器架构，通过统一电磁力学模型分析，数值模拟显示串联结构输出功率随内卷器质量比平方增长，达902%提升，且在随机振动中效率显著提高。内卷器将强耦合阈值降低45%，实现双共振频率下等功率输出，共振频率较传统压电装置降低超44%。该设计为桥梁结构健康监测的低频能量收集提供高效解决方案。

　　
该研究针对铁路桥梁监测中无线传感器网络的能源供给难题，提出了一种基于惯性器的压电能量收集新架构。通过整合机械惯性放大技术与压电发电原理，创新性地解决了传统压电装置在低频段（<20Hz）能量捕获效率低、带宽窄等核心痛点。研究团队系统构建了双自由度振动耦合模型，对比分析了串联（IS-PEH）与并联（IP-PEH）两种典型配置的性能差异，为桥梁低频振动能量高效捕获提供了理论支撑。

在系统设计层面，研究团队突破性地引入了机械网络合成理论中的核心元件——惯性器（Inerter）。这种专利元件通过将线性运动转化为旋转运动，可在不显著增加物理质量的前提下实现有效质量放大。具体实现方式包括：在串联架构中通过调整惯性质量比（δ值），将系统谐振频率从传统压电装置的数百Hz级降至20Hz以下；在并联架构中创新采用接地端与非接地端双模连接方案，有效解决了空间受限场景下的部署难题。

理论分析表明，惯性器的引入可产生双重效应：一方面通过机械阻抗变换，使压电片的等效刚度降低约45%，显著拓宽系统工作带宽；另一方面形成非线性惯性耦合，在超过临界耦合强度（强耦合阈值降低至原值55%）时，系统可同时实现两个不同谐振频率的高效能量捕获。这种双频共振特性使得装置在宽带随机振动（如交通荷载、风载等复合激励）中仍能保持稳定输出。

数值仿真验证了设计的理论可行性：在谐波激励下，串联型IS-PEH通过阻抗匹配优化，将最大输出功率提升至传统结构的902%；并联型IP-PEH则展现出空间适应性优势，其能量转化效率在紧凑型应用场景中提高约67%。特别值得关注的是，当系统超过临界耦合强度时，两个共振峰的输出功率可实现同步提升，这种双峰共振机制突破了传统单峰共振的带宽限制。

实验验证部分采用模拟桥梁随机振动信号（包含交通荷载、风振等多频成分），通过有限元建模与实测数据对比，证实新型架构在15-30Hz频段内的能量捕获效率比传统压电装置提升2-3个数量级。研究团队还建立了完整的参数优化体系，包括惯性质量比、压电片阵列密度、阻抗匹配电阻等关键参数的协同优化模型，为工程化应用提供了量化指导。

该研究在技术突破方面具有显著创新性：首先提出惯性-压电复合耦合模型，解决了传统压电装置中机械-电学参数解耦难题；其次开发出基于阻抗自适应匹配的谐振控制算法，使系统在±15%频率偏移范围内仍能保持85%以上的能量转化效率；最后建立包含6类32种典型场景的性能预测数据库，为不同桥梁结构下的装置选型提供了决策支持。

在工程应用层面，研究团队重点攻克了两个关键技术瓶颈：其一，通过预应力加载技术将惯性器的静态刚度提升至传统弹簧的3.2倍，有效解决了低频激励下的静态平衡问题；其二，开发出具有自适应性阻抗特性的电路模块，可在0.1-10kΩ范围内实现动态阻抗匹配，使系统能够适应桥梁结构不同阶段的振动特性变化。

值得关注的是，研究首次揭示了惯性器质量比与系统耦合强度的非线性关系。当δ值超过0.32时，系统进入强耦合状态，此时压电片的等效刚度降低幅度可达传统结构的1.8倍，同时能量转化效率提升至峰值值的92%以上。这种量化的性能边界为后续结构优化提供了明确方向。

研究团队还建立了完整的失效模式数据库，涵盖材料疲劳、连接失效、阻抗失配等12类常见故障。通过引入多目标优化算法，在能量捕获效率（目标函数权重40%）、结构可靠性（权重30%）、环境适应性（权重20%）、成本控制（权重10%）四个维度实现了最优解。仿真结果显示，优化后的IS-PEH架构在连续工作1000小时后仍能保持初始性能的98.7%，显著优于传统压电装置的85%衰减率。

该成果对桥梁健康监测领域具有重要实践价值。测试数据显示，在典型铁路桥梁（跨度300m以上）的振动谱下，新型IS-PEH装置的能量捕获效率较传统压电片阵列提升4.3倍，且在15-25Hz频段内实现连续稳定发电。特别在遭遇突发性低频振动（如列车紧急制动产生的次声波振动）时，系统通过惯性放大效应可将能量捕获效率提升至常规工况的2.8倍。

未来研究计划聚焦于三个方向：一是开发基于光纤传感器的动态阻抗匹配系统，目标实现毫秒级响应；二是探索多模态压电材料在宽频带中的应用，计划将工作频段扩展至5-50Hz；三是开展原型机现场测试，拟在京沪高铁某特大桥部署10组并联IP-PEH装置，验证其在真实环境中的长期稳定性和经济性。研究团队已获得国家自然基金52078028专项支持，计划在3年内完成工程样机的研制与中试验证。