用于桥梁基础设施的压电能量采集器设计优化
计算工程、金融与科学
2022-09-27 v2
摘要
由交通流或风荷载引起的桥梁激励所采集的振动能量，可为结构健康监测（SHM）系统中的传感器供电，有助于延长其使用寿命、减少化学电池废弃物并使其可用于偏远地区。设计压电能量采集器（PEH）的常用方法是将其基本频率调谐至某个目标值（例如桥梁的基本频率）。然而，该方法并未回答所选目标频率是否最优的问题，也未考虑存在具有相同基本频率的多种设计配置的可能性。本文以严谨的方式研究 PEH 设计优化问题，采用基于 Kirchhoff-Love 板理论和等几何分析（IGA）的 PEH 模型，并结合模态阶数约简（MOR）方法与 Runge-Kutta 时间积分法。该模型进一步配备粒子群优化（PSO）算法，可从给定基础加速度信号中找到使能量输出最大化的几何形状。通过考虑澳大利亚新南威尔士州一座大型斜拉桥的现场健康监测数据，开展综合研究以推断真实场景下 PEH 几何形状对其能量采集性能的影响。基于加速度事件（即响应水平超过某一阈值的情形）建立了形状优化框架。在基于事件的优化中所得设计随后被聚类，以提出若干用于连续发电的最佳候选方案。本研究是首个针对真实运行条件下 PEH 设计优化的研究。
引用
@article{arxiv.2205.06949,
title = {Design optimisation of piezoelectric energy harvesters for bridge infrastructure},
author = {Patricio Peralta-Braz and Mehrisadat Makki Alamdari and Rafael O. Ruiz and Elena Atroshchenko and Mahbub Hassan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2205.06949},
year = {2022}
}