近年来,随着交通运输的迅猛发展,交通基础设施结构受到的交通压力日益增加,为了保障基础设施结构的安全运营,需要对其进行服役期运营状态感知。传统的结构运营状态感知系统采用电缆和内置化学电池等方式进行供能,成本高、不稳定、不易更换,存在断电的隐患。基础设施结构在环境动力荷载作用下存在长期持续性振动现象,将结构振动机械能收集转化为电能,有望为感知系统持续供能,从而实现结构运营期服役状态的全时无源感知。摩擦纳米发电技术作为一种新兴的能源技术,在振动机械能收集领域具有巨大的发展潜力。基于摩擦纳米发电技术开展结构振动机械能能量收集的相关研究,具有研究价值和工程意义。本文基于摩擦纳米发电技术研发了结构振动能量收集技术及相应装置,用于环境动力荷载作用下结构的振动机械能收集,以桥梁结构为宿主结构,采用实验和理论结合的方法,实现了装置关键参数的优化方案比选,在此基础上,建立了装置的电学输出理论模型,并进一步提出基于无量纲尺度律的静电俘能多参数优化方法,开展了相关多参数优化分析。本文的主要研究内容分为以下几个方面:(1)研发了基于接触分离式摩擦纳米发电机的结构振动能量收集装置,以桥梁结构为宿主结构,验证装置用于环境动力荷载作用下桥梁结构振动机械能收集利用的可行性。(2)开展装置的性能试验测试,实现了器件基层结构、介电对材料特性、电路电阻、激励频率等关键参数的优化方案比选。实验结果表明,装置固有频率接近激励频率时,输出电压和平均功率达到最大值;存在一个最优外接电阻值,使得装置的电学输出达到最大;当激励频率偏离装置固有频率,装置的俘能效果会下降。(3)基于桥梁结构动力学和摩擦纳米发电机基本理论,建立以梁结构为宿主的结构振动能量收集装置电学输出理论预测模型,确定了输出性能的关键影响参数包括宿主结构动力特性和俘能器件结构设计,通过理论预测和实验结果对比,验证了结构振动能量收集装置理论模型的准确性。(4)提出基于无量纲尺度律的梁结构静电俘能多参数优化方法,通过理论预测和实验结果对比验证了该优化方法的准确性。针对宿主结构动力特性和俘能器件结构设计,开展多参数优化分析,实现结构振动能量收集装置的优化设计。综上所述,本文为摩擦纳米发电技术应用于基础设施结构振动机械能收集的研究提供了思路,为结构振动能量收集装置的优化设计提供了一定的参考价值。