基于双层耦合动力学建模的全封闭多轴波浪能转换器机构诱导非线性研究

　　本文提出一种全封闭多轴波浪能转换器（FM-WEC），通过引入缆索驱动并联机构（CDPM）并建立其双层耦合动力学模型，首次系统揭示了机构非线性对能量捕获性能的显著影响。研究结合频域解析与势场分析法，证实CDPM的预紧力等非线性因素会导致运动响应和功率预测的显著偏差，为多轴WEC的优化设计提供了重要理论依据。

　　

Section snippets

Novel design of a fully enclosed multi-axis wave energy converter

本文提出了一种全封闭多轴波浪能转换器（FM-WEC），其结构如图1所示，包含一个全封闭外壳浮体和一套缆索驱动并联机构（CDPM）。该装置通过系泊系统漂浮于海面，并利用旋转发电机与线性弹簧组成的动力输出装置（PTO）将机械能转化为电能。

Dynamic modeling and performance evaluation of the fully enclosed multi-axis wave energy converter in the frequency domain

频域模型因其线性化假设和计算高效性，被广泛用于波浪能研究的初步分析和参数优化。本节通过频域模型对FM-WEC进行参数优化，以获取最优机械参数并指导后续时域仿真。为保持结果普适性，文中所有变量均采用无量纲形式呈现。

Investigation of the nonlinear effects of cable-driven parallel mechanisms using the potential field method

相较于频域模型，时域模型引入了多种非线性项。本文重点关注CDPM的机构非线性，特别是阻尼力F_c、刚度力F_k和预紧力F_pg的非线性特性。需强调的是，预紧力F_p可能是这些机制非线性中最具影响力的因素。

Conclusion

本研究证明CDPM的非线性会导致传统线性方法产生显著预测偏差，且类似非线性广泛存在于基于并联机构的多轴WEC中。即使在小波况下，CDPM的非线性效应也足以引发运动与功率响应的实质性变化。

CRediT authorship contribution statement

徐璐馨: 原稿撰写·验证·软件·方法设计·研究实施·形式分析·数据整理·概念化；高渊天: 可视化·软件；韩潇: 数据管理；陈元: 督导·资源整合·项目管理·研究指导·资金筹措。

Declaration of competing interest

作者声明不存在任何可能影响本研究成果的已知竞争性经济利益或个人关系。

Acknowledgments

感谢国家重点研发计划（2023YFD2401104）、山东省自然科学基金（ZR2019MEE019、ZR2020ME112）及广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011555）的资助。