國家「十四五」規劃和2035年遠景目標綱要提出「打造系統完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現代化基礎設施體系」。基礎設施與能源融合是現代化創新發展的重要內涵，也是實現我國「雙碳」目標的重要途徑。智慧交通、智慧城市等發展依賴於廣泛分布的感測器，而感測器網路的關鍵問題之一是供能。目前採用的電池供能面臨著壽命短、不易維護、環境污染等問題，電纜輸送又具有成本高、佔用空間等缺點。如何從環境中採集各種形式的能量替代傳統電池或延長傳統電池的壽命，已經引起工業界和學術界的廣泛關注。
壓電機電轉換機制
機械能量(波浪、水流、風、車輛行駛、設備運行、橋樑振動、人體運動等)是環境中最普遍的能量之一，將環境中的機械能轉換為電能，可以實現自供能感測、控制和驅動，具備靈活、便捷、可持續的優勢。但是機械能採集技術仍然存在一些關鍵問題，如器件輸出功率低、適應環境單一、可靠性低等。因此，研究機械能採集技術具有迫切的現實需求和廣闊的應用前景。
壓電能量採集動力學設計示例
壓電能量採集功率密度高、設計靈活，已成為將機械能轉換為電能的主要方式之一。目前，壓電能量採集是國際熱點研究問題，但環境中機械能量一般是分散、無序和低能量密度，工況可能很惡劣，為壓電能量採集系統設計帶來了巨大的挑戰。為了解決制約壓電能量採集技術發展與應用的基礎理論難題，張文明課題組多年以來致力於壓電能量採集的設計、動力學分析與控制等方面的研究工作，取得了一系列原創性成果，為了總結和傳播壓電能量採集動力學設計理論與技術研究成果，撰寫出版專著《壓電能量採集動力學設計理論與技術》。該書獲得國家科學技術學術著作出版基金資助。
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《壓電能量採集動力學設計理論與技術》
國家科學技術學術著作出版基金資助
《壓電能量採集動力學設計理論與技術》充分反映了當今壓電能量採集設計理論與技術的最新研究進展，內容安排循序漸進，從基本概念到學科前沿，各章節相互關聯，涵蓋壓電能量採集動力學諸多研究熱點。本書概述了機械能量採集技術的發展和研究趨勢，詳細闡述了壓電能量採集基礎理論，著重介紹了機械調製原理與方法、磁力耦合非線性振動能量採集方法及其應用，並探討了往複運動壓電能量採集技術、旋轉運動壓電能量採集技術、流體環境下磁力耦合壓電能量採集技術、壓電馳振能量採集技術等發展和應用。
本書可作為高等學校機械工程、能源與動力工程、電氣工程、計算機技術、物聯網技術等專業的研究生或高年級本科生學習動力學設計、新能源技術、物聯網技術相關課程的參考書。本書既是認識和掌握壓電能量採集技術的入門書，又是進入學科前沿的參考書，可啟發相關領域的研究人員對壓電能量採集動力學研究的興趣和重視，解決壓電能量採集自身發展帶來的動力學方面的科學問題，促進壓電能量採集動力學的發展，加快壓電能量採集應用和產業化的步伐。
目錄速覽
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 非線性振動能量採集理論與技術進展 2
1.2.1 雙穩態及多穩態非線性振動能量採集 2
1.2.2 基於內共振的非線性振動能量採集 5
1.3 旋轉運動壓電能量採集理論與技術進展 6
1.3.1 旋轉運動能量源 6
1.3.2 旋轉運動能量採集方法 7
1.3.3 基於旋轉運動能量採集的應用 12
1.4 機械能量採集的研究趨勢 13
參考文獻 14
第2章 壓電能量採集基礎理論 22
2.1 引言 22
2.2 機電能量轉換原理 22
2.2.1 電磁能量轉換機制 23
2.2.2 靜電能量轉換機制 24
2.2.3 磁致伸縮能量轉換機制 24
2.2.4 壓電能量轉換機制 26
2.2.5 摩擦能量轉換機制 26
2.3 壓電材料性能 28
2.3.1 壓電材料性能參數 28
2.3.2 壓電材料力學特性 32
2.3.3 壓電方程及壓電材料工作模式 34
2.4 能量採集典型壓電結構 36
2.4.1 壓電梁結構 36
2.4.2 壓電膜結構 40
2.4.3 壓電疊堆結構 41
2.4.4 彎張型壓電單元結構 43
2.5 本章小結 47
參考文獻 47
第3章 機械調製原理與方法 50
3.1 引言 50
3.2 機械調製原理 50
3.3 運動形式轉換 51
3.3.1 流動力轉換為機械運動 52
3.3.2 機械運動轉換為可控作用力 53
3.3.3 往複運動轉換為旋轉/滾動 55
3.3.4 旋轉轉換為振動 57
3.3.5 基於運動轉換的多方向振動能量採集 57
3.4 頻率提升方法 58
3.4.1 陣列式設計 58
3.4.2 諧振式設計 59
3.5 激勵放大機理與方法 59
3.5.1 彎張放大機理 59
3.5.2 傳動機構放大機理 62
3.5.3 動力學放大機理 63
3.6 本章小結 64
參考文獻 64
第4章 磁力耦合非線性振動能量採集 71
4.1 引言 71
4.2 磁力耦合機制與磁力耦合非線性振動能量採集 71
4.2.1 磁力耦合非線性振動能量採集器建模 74
4.2.2 基座激勵下動力學響應 76
4.2.3 脈衝激勵下磁力耦合振動能量採集 82
4.3 磁力耦合模式 86
4.3.1 磁力耦合模式和機電耦合動力學模型 86
4.3.2 參數分析 94
4.3.3 實驗設置 101
4.3.4 結果與討論 102
4.4 非線性調控機理 121
4.4.1 非線性磁力干預被動控制 121
4.4.2 實驗驗證 125
4.5 磁力耦合多方向振動能量採集 130
4.5.1 設計與工作原理 131
4.5.2 動力學模型 132
4.5.3 實驗裝置 135
4.5.4 結果與討論 136
4.6 本章小結 148
參考文獻 148
第5章 往複運動壓電能量採集 150
5.1 引言 150
5.2 滾壓式往複運動壓電能量採集 150
5.2.1 滾壓機理與力學分析 152
5.2.2 設計參數分析 159
5.2.3 實驗結果及分析 167
5.3 陣列式磁力耦合往複運動壓電能量採集 169
5.3.1 工作原理與理論分析 169
5.3.2 實驗結果及分析 174
5.4 本章小結 176
參考文獻 176
第6章 旋轉運動壓電能量採集 178
6.1 引言 178
6.2 磁力耦合旋轉運動能量採集 178
6.2.1 磁力耦合旋轉運動能量採集器設計 178
6.2.2 機電耦合動力學模型 179
6.2.3 參數分析 184
6.2.4 實驗設置 187
6.2.5 結果與討論 188
6.3 非線性旋轉運動能量採集 194
6.3.1 非線性旋轉運動能量採集器設計 194
6.3.2 建模與分析 195
6.3.3 實驗與結果 201
6.4 本章小結 203
參考文獻 204
第7章 流體環境下磁力耦合壓電能量採集 206
7.1 引言 206
7.2 旋轉式磁力耦合彎張壓電-電磁複合型風能採集 206
7.2.1 設計與工作原理 207
7.2.2 動力學模型 208
7.2.3 實驗設置 213
7.2.4 結果與討論 214
7.3 水下磁力耦合壓電雙穩態振動能量採集 221
7.3.1 設計與工作原理 221
7.3.2 實驗設置 224
7.3.3 結果與討論 225
7.4 本章小結 227
參考文獻 228
第8章 壓電馳振能量採集 230
8.1 引言 230
8.2 單低壓Y形鈍體馳振式風能採集 234
8.2.1 Y形鈍體結構設計與流場特徵分析 234
8.2.2 Y形鈍體風能採集系統性能實驗 238
8.3 雙低壓音叉形鈍體馳振式風能採集 243
8.3.1 風能採集系統設計及其動力學模型 243
8.3.2 流場模擬與特徵分析 246
8.3.3 性能實驗 254
8.4 基於雙尾流干涉效應的風能採集強化技術 260
8.4.1 雙平板流場模擬與尾流干涉強化機理分析 260
8.4.2 雙尾流強化風能採集系統性能實驗 265
8.5 基於多干涉體局域壓力調製的風能採集強化技術 275
8.5.1 多干涉體結構設計與流場局域壓力調製機理分析 275
8.5.2 局域壓力調製強化的風能採集系統性能實驗 279
8.6 本章小結 283
參考文獻 284
第9章 壓電能量採集技術應用及發展 286
9.1 引言 286
9.2 人體壓電能量採集技術 286
9.2.1 穿戴式壓電能量採集技術 286
9.2.2 植入式壓電能量採集技術 289
9.3 基礎設施領域的壓電能量採集技術 291
9.3.1 高壓輸電線壓電能量採集技術 291
9.3.2 道路壓電能量採集技術 293
9.3.3 火車軌道振動壓電能量採集技術 294
9.3.4 橋樑振動壓電能量採集技術 296
9.3.5 家居、樓宇中的壓電能量採集技術 297
9.3.6 環境雜訊壓電能量採集技術 298
9.4 汽車領域的壓電能量採集技術 300
9.5 航空領域的壓電能量採集技術 301
9.6 自然環境中的流體壓電能量採集技術 302
9.7 國防軍事領域的壓電能量採集技術 304
9.8 本章小結 306
參考文獻 307
作者簡介
張文明，上海交通大學特聘教授，博士生導師。國家傑出青年科學基金獲得者、教育部霍英東青年基金獲得者，國家「萬人計劃」中組部青年拔尖人才、科技部中青年科技創新領軍人才、上海市優秀青年學術帶頭人、上海市曙光學者、上海市青年科技啟明星。
長期從事動力學設計理論與控制技術研究和教學工作，主持國家自然科學基金重點項目、國家科技重大專項課題、國防科技創新特區項目等30多項，在Science Advances、Nature Communication、National Science Review、Advanced Materials、ASME/IEEE彙刊等期刊上發表論文200餘篇，出版學術專著2部；授權國家發明專利和軟體著作權50多項；獲教育部自然科學獎一等獎、中國振動工程學會青年科技獎、「上海市青年五四獎章標兵」稱號等。
鄒鴻翔，湖南工程學院特聘研究員。湖湘青年英才、湖南省優青、湘潭市高層次人才。致力於機械能量採集理論及應用技術研究，主持國家自然科學基金面上、青年基金等科研項目10餘項，技術負責國防科技創新特區項目和湖南省軍民融合產業發展專項2項。發表論文50多篇，授權國家發明專利40多項，獲得ASME能量採集技術領域最佳論文提名獎、湘潭市自然科學優秀學術論文成果獎、上海交通大學優秀博士學位論文獎（2018年）等。
（本文編輯：王芳）
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