国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出“打造系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系”。基础设施与能源融合是现代化创新发展的重要内涵，也是实现我国“双碳”目标的重要途径。智慧交通、智慧城市等发展依赖于广泛分布的传感器，而传感器网络的关键问题之一是供能。目前采用的电池供能面临着寿命短、不易维护、环境污染等问题，电缆输送又具有成本高、占用空间等缺点。如何从环境中采集各种形式的能量替代传统电池或延长传统电池的寿命，已经引起工业界和学术界的广泛关注。
压电机电转换机制
机械能量(波浪、水流、风、车辆行驶、设备运行、桥梁振动、人体运动等)是环境中最普遍的能量之一，将环境中的机械能转换为电能，可以实现自供能传感、控制和驱动，具备灵活、便捷、可持续的优势。但是机械能采集技术仍然存在一些关键问题，如器件输出功率低、适应环境单一、可靠性低等。因此，研究机械能采集技术具有迫切的现实需求和广阔的应用前景。
压电能量采集动力学设计示例
压电能量采集功率密度高、设计灵活，已成为将机械能转换为电能的主要方式之一。目前，压电能量采集是国际热点研究问题，但环境中机械能量一般是分散、无序和低能量密度，工况可能很恶劣，为压电能量采集系统设计带来了巨大的挑战。为了解决制约压电能量采集技术发展与应用的基础理论难题，张文明课题组多年以来致力于压电能量采集的设计、动力学分析与控制等方面的研究工作，取得了一系列原创性成果，为了总结和传播压电能量采集动力学设计理论与技术研究成果，撰写出版专著《压电能量采集动力学设计理论与技术》。该书获得国家科学技术学术著作出版基金资助。
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《压电能量采集动力学设计理论与技术》
国家科学技术学术著作出版基金资助
《压电能量采集动力学设计理论与技术》充分反映了当今压电能量采集设计理论与技术的最新研究进展，内容安排循序渐进，从基本概念到学科前沿，各章节相互关联，涵盖压电能量采集动力学诸多研究热点。本书概述了机械能量采集技术的发展和研究趋势，详细阐述了压电能量采集基础理论，着重介绍了机械调制原理与方法、磁力耦合非线性振动能量采集方法及其应用，并探讨了往复运动压电能量采集技术、旋转运动压电能量采集技术、流体环境下磁力耦合压电能量采集技术、压电驰振能量采集技术等发展和应用。
本书可作为高等学校机械工程、能源与动力工程、电气工程、计算机技术、物联网技术等专业的研究生或高年级本科生学习动力学设计、新能源技术、物联网技术相关课程的参考书。本书既是认识和掌握压电能量采集技术的入门书，又是进入学科前沿的参考书，可启发相关领域的研究人员对压电能量采集动力学研究的兴趣和重视，解决压电能量采集自身发展带来的动力学方面的科学问题，促进压电能量采集动力学的发展，加快压电能量采集应用和产业化的步伐。
目录速览
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 非线性振动能量采集理论与技术进展 2
1.2.1 双稳态及多稳态非线性振动能量采集 2
1.2.2 基于内共振的非线性振动能量采集 5
1.3 旋转运动压电能量采集理论与技术进展 6
1.3.1 旋转运动能量源 6
1.3.2 旋转运动能量采集方法 7
1.3.3 基于旋转运动能量采集的应用 12
1.4 机械能量采集的研究趋势 13
参考文献 14
第2章 压电能量采集基础理论 22
2.1 引言 22
2.2 机电能量转换原理 22
2.2.1 电磁能量转换机制 23
2.2.2 静电能量转换机制 24
2.2.3 磁致伸缩能量转换机制 24
2.2.4 压电能量转换机制 26
2.2.5 摩擦能量转换机制 26
2.3 压电材料性能 28
2.3.1 压电材料性能参数 28
2.3.2 压电材料力学特性 32
2.3.3 压电方程及压电材料工作模式 34
2.4 能量采集典型压电结构 36
2.4.1 压电梁结构 36
2.4.2 压电膜结构 40
2.4.3 压电叠堆结构 41
2.4.4 弯张型压电单元结构 43
2.5 本章小结 47
参考文献 47
第3章 机械调制原理与方法 50
3.1 引言 50
3.2 机械调制原理 50
3.3 运动形式转换 51
3.3.1 流动力转换为机械运动 52
3.3.2 机械运动转换为可控作用力 53
3.3.3 往复运动转换为旋转/滚动 55
3.3.4 旋转转换为振动 57
3.3.5 基于运动转换的多方向振动能量采集 57
3.4 频率提升方法 58
3.4.1 阵列式设计 58
3.4.2 谐振式设计 59
3.5 激励放大机理与方法 59
3.5.1 弯张放大机理 59
3.5.2 传动机构放大机理 62
3.5.3 动力学放大机理 63
3.6 本章小结 64
参考文献 64
第4章 磁力耦合非线性振动能量采集 71
4.1 引言 71
4.2 磁力耦合机制与磁力耦合非线性振动能量采集 71
4.2.1 磁力耦合非线性振动能量采集器建模 74
4.2.2 基座激励下动力学响应 76
4.2.3 脉冲激励下磁力耦合振动能量采集 82
4.3 磁力耦合模式 86
4.3.1 磁力耦合模式和机电耦合动力学模型 86
4.3.2 参数分析 94
4.3.3 实验设置 101
4.3.4 结果与讨论 102
4.4 非线性调控机理 121
4.4.1 非线性磁力干预被动控制 121
4.4.2 实验验证 125
4.5 磁力耦合多方向振动能量采集 130
4.5.1 设计与工作原理 131
4.5.2 动力学模型 132
4.5.3 实验装置 135
4.5.4 结果与讨论 136
4.6 本章小结 148
参考文献 148
第5章 往复运动压电能量采集 150
5.1 引言 150
5.2 滚压式往复运动压电能量采集 150
5.2.1 滚压机理与力学分析 152
5.2.2 设计参数分析 159
5.2.3 实验结果及分析 167
5.3 阵列式磁力耦合往复运动压电能量采集 169
5.3.1 工作原理与理论分析 169
5.3.2 实验结果及分析 174
5.4 本章小结 176
参考文献 176
第6章 旋转运动压电能量采集 178
6.1 引言 178
6.2 磁力耦合旋转运动能量采集 178
6.2.1 磁力耦合旋转运动能量采集器设计 178
6.2.2 机电耦合动力学模型 179
6.2.3 参数分析 184
6.2.4 实验设置 187
6.2.5 结果与讨论 188
6.3 非线性旋转运动能量采集 194
6.3.1 非线性旋转运动能量采集器设计 194
6.3.2 建模与分析 195
6.3.3 实验与结果 201
6.4 本章小结 203
参考文献 204
第7章 流体环境下磁力耦合压电能量采集 206
7.1 引言 206
7.2 旋转式磁力耦合弯张压电-电磁复合型风能采集 206
7.2.1 设计与工作原理 207
7.2.2 动力学模型 208
7.2.3 实验设置 213
7.2.4 结果与讨论 214
7.3 水下磁力耦合压电双稳态振动能量采集 221
7.3.1 设计与工作原理 221
7.3.2 实验设置 224
7.3.3 结果与讨论 225
7.4 本章小结 227
参考文献 228
第8章 压电驰振能量采集 230
8.1 引言 230
8.2 单低压Y形钝体驰振式风能采集 234
8.2.1 Y形钝体结构设计与流场特征分析 234
8.2.2 Y形钝体风能采集系统性能实验 238
8.3 双低压音叉形钝体驰振式风能采集 243
8.3.1 风能采集系统设计及其动力学模型 243
8.3.2 流场仿真与特征分析 246
8.3.3 性能实验 254
8.4 基于双尾流干涉效应的风能采集强化技术 260
8.4.1 双平板流场仿真与尾流干涉强化机理分析 260
8.4.2 双尾流强化风能采集系统性能实验 265
8.5 基于多干涉体局域压力调制的风能采集强化技术 275
8.5.1 多干涉体结构设计与流场局域压力调制机理分析 275
8.5.2 局域压力调制强化的风能采集系统性能实验 279
8.6 本章小结 283
参考文献 284
第9章 压电能量采集技术应用及发展 286
9.1 引言 286
9.2 人体压电能量采集技术 286
9.2.1 穿戴式压电能量采集技术 286
9.2.2 植入式压电能量采集技术 289
9.3 基础设施领域的压电能量采集技术 291
9.3.1 高压输电线压电能量采集技术 291
9.3.2 道路压电能量采集技术 293
9.3.3 火车轨道振动压电能量采集技术 294
9.3.4 桥梁振动压电能量采集技术 296
9.3.5 家居、楼宇中的压电能量采集技术 297
9.3.6 环境噪声压电能量采集技术 298
9.4 汽车领域的压电能量采集技术 300
9.5 航空领域的压电能量采集技术 301
9.6 自然环境中的流体压电能量采集技术 302
9.7 国防军事领域的压电能量采集技术 304
9.8 本章小结 306
参考文献 307
作者简介
张文明，上海交通大学特聘教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者、教育部霍英东青年基金获得者，国家“万人计划”中组部青年拔尖人才、科技部中青年科技创新领军人才、上海市优秀青年学术带头人、上海市曙光学者、上海市青年科技启明星。
长期从事动力学设计理论与控制技术研究和教学工作，主持国家自然科学基金重点项目、国家科技重大专项课题、国防科技创新特区项目等30多项，在Science Advances、Nature Communication、National Science Review、Advanced Materials、ASME/IEEE汇刊等期刊上发表论文200余篇，出版学术专著2部；授权国家发明专利和软件著作权50多项；获教育部自然科学奖一等奖、中国振动工程学会青年科技奖、“上海市青年五四奖章标兵”称号等。
邹鸿翔，湖南工程学院特聘研究员。湖湘青年英才、湖南省优青、湘潭市高层次人才。致力于机械能量采集理论及应用技术研究，主持国家自然科学基金面上、青年基金等科研项目10余项，技术负责国防科技创新特区项目和湖南省军民融合产业发展专项2项。发表论文50多篇，授权国家发明专利40多项，获得ASME能量采集技术领域最佳论文提名奖、湘潭市自然科学优秀学术论文成果奖、上海交通大学优秀博士学位论文奖（2018年）等。
（本文编辑：王芳）
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