车致桥梁振动压电能量收集研究

发布时间：2024-04-17 20:28

　　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...

【文章页数】：143 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１－２压电能量收集系统??

??俘能器能量输出效率较低，适用性不强。对于模式，如图１－１?所示，在进??行能量收集时，俘能器中的压电材料主要受到剪切应力作用ｌ３Ｚ３３１，剪应力方向与??极化方向平行并与产生的电场方向垂直。与其它压电系数相比，普通压电材料的??ｄｌ５压电系数最大，但在进行能量收集时压电材料的....

图２－１悬臂型压电俘能器模型图??Ｆｉｇｕｒｅ?２－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄ?ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｅｎｅｒｇｙ?ｈａｒｖｅｓｔｅｒ??

２．２悬臂型俘能器基本理论??在振动环境中进行能量收集时，采用悬臂型压电俘能器有较高的能量收集效??率。本文将以图２－１所示的俘能器为能量收集装置［４７］，它是三层层合梁结构，其??中，中间层为弹性基层，为俘能器提供主要刚度；上下两层为压电层，压电层上下??表面均涂有银电极。当两....

图２－２俘能器等效电路模型??Ｆｉｇｕｒｅ?２－２?Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ＰＥＨ??

学与电学之间存在着类比关系［５９］，如表２－１所示。由表中类比关系可以确定俘能??器的等效电路参数，因此就可以通过电学软件建立俘能器的等效电路模型来评估??俘能器的能量收集性能。俘能器等效电路模型如图２－２所示，其由无限个分支组??成，每个分支均由电感、电容、电阻、理想电压源、理....

图３－３理论结果与ＡＮＳＹＳ仿真结果对比：⑷输出电压；（６）收集能量（阻尼??

?１．０??Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ?Ｔｉｍｅ?ｔ！ｔ〇??图３－２理论计算结果与ＡＮＳＹＳ仿真结果输出电压对比（无阻尼）??Ｆｉｇｕｒｅ?３－２?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｏｕｔｐｕｔｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐｒｅｓｅｎｔ?ａｎａｌｙｔｉｃａｌ?ｓｏｌｕｔｉｏｎ?ａｎ....

本文编号：3956879