近年来,桥梁建设快速发展,其健康状况对交通系统安全运营至关重要。将车辆运行过程中引起的桥梁振动能收集起来,并为桥梁监测系统提供源源不绝的电源,可克服传统供电方式的不足,有望实现桥梁长期自供能监测。在此背景下,本文采用悬臂型压电俘能器对车致桥梁振动进行能量收集,从理论机制、俘能器设计方法和能量存储三个方面进行了研究,主要研究工作和结论如下:(1)建立了车致桥梁振动下压电能量收集系统的定解方程并获得其解答,揭示了车桥耦合作用下影响能量收集的物理机制,为研究车致桥梁振动下的能量收集问题奠定了基础。首先采用梁理论分别建立了桥梁和俘能器的分布参数控制方程,然后采用模态叠加法进行求解,并获得了无阻尼情况下俘能器电压输出的闭合解;采用移动荷载、移动质量和移动振子车辆模型,探讨了俘能器自身特性、俘能器安装位置、路面状况以及车辆振动频率等因素对能量收集的影响。研究表明:当俘能器谐振频率与桥梁固有频率接近时,能量收集的大小与俘能器安装位置处振型的平方成比例;当车辆振动频率接近俘能器谐振频率或桥梁固有频率时,能量收集出现双峰现象;当路面不平顺时,不同车辆模型给出的能量收集预测结果有较大差别,移动振子模型预测的能量输出不到移动质量模型下预测结果的4%。(2)提出了两种俘能器设计方法,并实测了不同设计方法下俘能器的能量收集效率。首先加工制作了两种俘能器,其谐振频率分别与桥梁固有频率和车致桥梁强迫振动频率相匹配,通过车桥耦合振动实验平台进行了能量收集实验,进而明确了所提设计方法的合理性;然后实测了两种典型的铁路桥梁振动,以此作为俘能器的基础激励,研究了俘能器的能量收集性能。研究发现:如果俘能器谐振频率与桥梁固有频率相匹配,当车辆进入或离开桥梁时具有较大的能量输出,但车辆在桥上运行时能量输出非常弱;如果俘能器谐振频率与车致桥梁强迫振动频率相匹配,车辆在桥上运行过程中俘能器有较明显的能量输出;重载列车刚上桥时俘能器几乎收集不到能量,当列车完全上桥后俘能器输出电压峰值能达到13V,但电压不稳;高速列车过桥时俘能器电压输出总体稳定在17V左右,但由于能量收集时间短,其收集能量约为重载列车过桥时收集能量的1/6。(3)给出了从桥梁振动、俘能器能量转化、接口电路调理到能量存储的全过程分析方法。基于既有重载铁路桥和高速铁路桥振动环境,进行了能量收集全过程研究,首先基于等效电路法,给出了振动环境和俘能器的电学等效参数,并采用STD、自供能SCE、自供能P-SSHI和自供能S-SSHI接口电路对俘能器电能输出进行调理,然后采用超级电容进行能量存储,在Multisim中构建了全过程分析的电路模型,给出了瞬态储能过程分析。结果表明:存在最优储能电容使得列车通过桥梁一次充入电容的电能最多:为了获得最高能量收集效率,采用STD接口电路时,应使俘能器的短路与开路谐振频率处于主激励频率的两侧,采用SCE和S-SSHI接口电路时,应使俘能器开路谐振频率接近主激励频率,而采用P-SSHI接口电路时,应使俘能器短路谐振频率接近主激励频率;最大存储能量达不到理论预测值,采用STD接口电路具有最大的能量存储效率,但也只有理论预测值的2/3。