基于车辆运行的减速带振动能量回收方法研究

发布时间：2017-08-06 20:04

  本文关键词：基于车辆运行的减速带振动能量回收方法研究

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【摘要】：随着高速公路发展,在车流量集中的地区为了安全常会设置减速带装置,车辆通过减速带时的相互作用会带来振动或冲击,这种机械能一般转化成为热能消散。基于再生能源和可持续的出发点,通过分析减速带荷载和环境的特点,充分利用冲击载荷的大激励提出一种利用减速带发电的机电耦合方法,可以为减速带周边小功率用电设备提供备用能源。通过建立车辆—减速带—压电耦合动力学模型仿真得到系统力学响应特性;建立钹式压电换能器的机电耦合模型,得到力学特性与电学特性相互之间关系,得到减速带振动发电的理论基础。本文通过对整体构造动力学模型并进行算法解耦,得到仿真输出特性并设计制造装置进行了实验验证。首先对减速带振动的激励源包括减速带本身和路面不平顺进行研究,基于橡胶减速带建立了其时域模型;对比了各类路面谱求解法的区别,基于谐波叠加法,通过傅里叶变换结合C级道路功率谱密度进行仿真反演,得到路面不平顺时域上的位移特性,并将其和减速带时域位移一起作为系统动力学模型力学响应输入。研究了车辆—减速—压电振动系统的动力学模型,利用车辆—道路耦合系统动力学知识,分析车辆和减速带耦合振动的特点,将减速带和压电模块分别等效为一个包括质量,阻尼和刚度的独立系统,建立多自由度动力学模型。根据车速不同分为冲击和振动分别进行车辆—减速带数学模型建立,并采取振动模型建模车辆—减速带—压电系统,研究其动力学方程和解模算法。研究减速带机电耦合的电学输出特点,选取钹型压电振子作为压电结构,基于第一类和第四类压电方程对钹型压电结构进行力学位移和压电特性分析,并对比仿真分析了单体和级联压电组的模态响应特点和屈服强度,完成了减速带振动能量回收系统建模。对减速带振动能量回收进行实验制备和验证,利用减速带振动试验装置和第四章仿真结果对比,选取包括5个钹式压电振子组成的级联叠堆,外接不同负载电阻和开路条件下利用设计制造好的压电换能器进行了道路实验。理论仿真和实验数据误差较小,证明了减速带振动机械能转化成电能的可行性以及建模仿真的正确性。理论研究显示,钹式压电振子振动位移和受载具有显著脉冲特点。初步设计和制备减速带振动能量回收试验装置,实验数据显示,5个钹型压电振子组在科鲁兹汽车2 m/s行驶通过情况下的开路输出最大电压达到165V~175V,最优负载情况下输出229mW,接近理论仿真结果。本文研究了利用内置压电换能器的减速带振动能量回收的新方法,为减速带振动能量回收建模、实验和后续存储建立理论基础。
【关键词】：减速带振动 系统动力学 机电耦合 钹式压电换能器
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U491.5
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 振动能量回收方法研究现状14-15
• 1.2.2 车辆—减速带耦合振动理论研究现状15-16
• 1.2.3 减速带振动能量回收装置研究现状16-17
• 1.3 论文的主要内容17-19
• 第二章 减速带振动系统激励源19-26
• 2.1 减速带激励源19-21
• 2.2 路面不平顺时域谱21-25
• 2.2.1 白噪声过滤法23
• 2.2.2 时间序列时域模型方法23
• 2.2.3 基于离散PSD采样的IFFT法23-24
• 2.2.4 谐波叠加法24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 减速带振动能量回收系统动力学研究26-35
• 3.1 减速带振动能量回收方案26-27
• 3.2 车辆—减速带—压电耦合动力学模型27-34
• 3.2.1 车辆—减速带振动冲击耦合模型27-31
• 3.2.2 车辆—减速带—压电振动耦合动力学模型31-32
• 3.2.3 车辆—减速带—压电系统振动动力学方程32-34
• 3.3 本章小结34-35
• 第四章 减速带振动能量回收机电耦合研究35-52
• 4.1 压电效应及原理35-36
• 4.2 压电方程36-38
• 4.3 压电振子工作模态38-40
• 4.3.1 激励方式38-39
• 4.3.2 压电振子的振动模式39
• 4.3.3 压电振子的支撑方式39-40
• 4.4 减速带压电振子结构设计40-41
• 4.5 钹型压电振子数学模型41-51
• 4.5.1 压电振子转换结构分析42-43
• 4.5.2 压电振子电学输出特性43-46
• 4.5.3 钹式压电换能器有限元分析46-49
• 4.5.4 压电振子组模型49-51
• 4.6 本章小结51-52
• 第五章 减速带振动能量回收仿真及实验52-69
• 5.1 减速带振动能量回收仿真和实验介绍52-54
• 5.2 车辆—减速带耦合振动理论仿真和实验54-61
• 5.2.1 车辆—减速带动力学仿真56-59
• 5.2.2 车辆—减速带动力学实验59-61
• 5.3 减速带振动能量回收仿真和实验61-68
• 5.3.1 钹式压电换能器的制备61-63
• 5.3.2 减速带振动能量回收仿真与实验63-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果75-77
• 致谢77-78

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