双自由度磁悬浮式桥梁振动能量采集器的数值仿真和优化

摘要

无线传感器技术的发展，为桥梁健康监测提供了一种很有前景的手段。但无线传感器节点的内置电池容量低，需要频繁更换，长期监测维护成本较高，从而限制了无线健康监测技术的性能和应用。有效的解决办法之一是利用振动能量采集器将桥梁振动的机械能转换成电能并采集起来，为无线传感器节点供电。本文提出了一种为桥梁健康监测传感器供电的双自由度磁悬浮式振动能量采集器，推导了能量采集器系统的运动控制方程，对比分析了双自由度磁悬浮式振动能量采集器和与传统的单自由度磁悬浮振动能量采集器分别在简谐振动和车桥振动激励作用下的响应特性，最后提出了基于NSGA-II算法的双自由度磁悬浮振动能量采集系统参数优化设计方法，主要研究内容有：
　　（1）建立了双自由度磁悬浮式振动能量采集器的物理模型，推导了能量采集器系统的动力学方程和机电耦合方程，得到了能量采集器在外部激励作用下的输出功率计算公式。
　　（2）研究了双自由度磁悬浮式振动能量采集器系统在简谐振动下的响应特性，分析了外部输入振动的振幅和频率、振动系统本身的结构参数等对能量采集器系统响应的影响。研究发现：随着磁铁的磁感应强度、半径和高度的增加及磁铁间距的减小，能量采集器的输出功率逐渐增加，峰值频率向高频方向偏移。
　　（3）推导和建立了车辆、桥梁的有限元模型和车桥耦合振动方程，对比研究了双自由度磁悬浮式振动能量采集器和单自由度磁悬浮振动能量采集器在车桥振动激励作用下的响应特性，分析了路面平整度和车速等不同桥梁振动工况对能量采集器输出功率的影响。结果表明：能量采集器的输出功率会随着路面平整度的变差而增加。
　　（4）建立了双自由度磁悬浮振动能量采集的多目标优化模型，提出了基于NSGA-II算法的能量采集器参数优化设计方法，并对比分析了针对不同桥梁跨度优化后的双自由度磁悬浮式振动能量采集器分别在简谐振动和车桥振动激励作用下的响应特性和输出功率。结果表明：通过NSGA-II算法优化设计后的能量采集器可获得更宽的采能带宽和更高的输出功率。该优化设计方法对各种类型的桥梁具有通用性，且该方法可推广到多自由度磁悬浮振动能量采集器的参数优化设计。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的主要内容

第2章 双自由度磁悬浮式振动能量采集器的理论分析

2.1概述

2.2能量采集器的结构设计

2.3能量采集器的数学模型

2.4本章小结

第3章 简谐振动下双自由度磁悬浮式振动能量采集器的响应分析

3.1概述

3.2简谐振动激励对能量采集器输出功率的影响

3.3能量采集器参数变化对输出功率的影响

3.4本章小结

第4章 车桥振动下双自由度磁悬浮式振动能量采集器的响应分析

4.1概述

4.2车桥耦合振动模型

4.3车桥振动响应分析

4.4不同工况下能量采集器的响应分析

4.5本章小结

第5章 双自由度磁悬浮式桥梁振动能量采集器的结构优化设计

5.1概述

5.2多目标优化问题的基本概念

5.3能量采集器在车桥振动激励下的优化分析

5.4本章小结

结论与展望

本文研究的主要成果有：

有待进一步研究的内容有：

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录和参与的科研项目