近日，浙江师范大学工学院鄂世举课题组在基于介电弹性体的风致涡激振动能量俘获技术领域中取得重要进展，相关成果以“A hybrid piezo-dielectric energy harvester with internal impact effect in vortex-induced vibrations”为题，于2025年07月31日在SCI一区Top期刊 International Journal of Mechanical Sciences 上发表（https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110655）。浙江师范大学的鄂世举教授为论文的通讯作者。浙江师范大学是论文的第一完成单位。浙江师范大学的章建伟博士是论文的第一作者。该项研究得到了浙江省自然科学基金重点项目的资金资助。
混合压电-介电(PD)能量俘获装置能够实现高性能收集风致涡激振动能。该装置由压电(PZT)悬臂梁-圆柱结构和嵌入钝体的振动冲击介电弹性体发电机(VI DEG)组成，通过双路径转换能量：PZT结构振动与VI DEG内部冲击。然而，现有研究忽略了冲击引发的动态耦合效应——该效应可能抑制PZT结构振动并降低系统能量俘获性能。为此，本文运用延伸的哈密顿原理构建了包含内部冲击力的精细化系统动力学模型，首次揭示了冲击导致的振动抑制与能量俘获性能退化现象。随后，系统性地分析了关键结构参数（如碰撞距离、介电弹性体薄膜预拉伸比、PZT结构等效质量、PZT结构等效刚度、钝体直径）对振动抑制和能量俘获性能的影响。
在初始冲击激活后，PZT悬臂梁-圆柱结构的涡激振动（VIVs）将被VI DEG所抑制。此时VI DEG中的内部球体获得动能并持续撞击介电弹性体薄膜。随着时间推移，系统振动不断衰减直至进入低能振动状态。与忽略冲击力的情况相比，系统的能量俘获性能显著降低。值得注意的是，当VI DEG表现出较差的振动控制性能时，系统反而会呈现更高的输出功率。基于此，我们在结构参数研究中发现：1) 碰撞距离的增加可提升系统输出功率，但过大的碰撞距离会导致VI DEG失效；2) 预拉伸比能调节不同风速下VI DEG的减振性能（即频率调谐能力），从而使系统获得更高输出功率; 3) 等效质量的减小或等效刚度的增大可提高系统输出功率并扩大有效工作风速范围，但系统需在更高风速下运行；4) 钝体直径的增大可使VI DEG激发PZT结构在更低风速下产生涡激振动（即振动放大），从而使系统获得更高输出功率。本研究有助于深入理解系统动力学行为，并为风致涡激振动场景下的系统设计与优化提供指导。在未来研究工作中，拟采用遗传算法、粒子群优化算法等智能优化算法对系统进行多目标参数优化设计，并实验评估优化方案的动力学特性与能量俘获性能，为风致振动能量俘获装置的工程化应用奠定坚实基础。
鄂世举课题组（智能材料与智能系统）主要从事介电弹性体能量收集/驱动技术、自驱动传感技术、软体机器人驱动技术以及智能材料制冷技术等方面的研究。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目，浙江省重点、一般项目以及金华市重点项目等。
编辑：武艳
