基于压电材料的智能梁结构性能研究
发布时间：2021-02-12 21:17
随着社会的发展,人们对能源和环境的保护意识逐渐增强,智能结构是土木工程绿色化的一种新兴形式,是能够实现结构健康监测与自我诊断,适应外界环境以及自我修复调节的结构体系,具有自感知、信息处理和驱动的功能。压电材料由于具有可将机械能与电能进行转化的特有性质,既可转化来自工程结构的机械能,又可在通电条件下对工程结构施加驱动力,越来越多地被用于为土木工程结构提供感知和驱动功能,而近年来以工程结构机械能为驱动的压电发电技术也成为了研究热点。本文基于压电材料能为工程结构提供驱动功能和发电功能的特点,构想了一种基于压电材料的智能桥梁结构,这种结构一方面基于压电材料的逆压电效应,在桥梁的受拉区布置压电促动器,通过改变电压来控制施加于桥梁的预应力,根据实际情况的需要进行对预应力大小进行调整,从而避免裂缝的产生,提高结构的耐久度和安全性,减少桥梁修补加固甚至重修;另一方面,基于压电材料的正压电效应,将桥梁环境的机械能转化为电能,为桥梁的照明和信号灯等用电设备提供电能。为了探究这一构想的可行性以及为这种智能桥梁结构的设计提供参考,本文进行了两方面的研究:第一方面是对基于压电材料的智能预应力梁进行了受力特性研究...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 传统桥梁结构的裂缝问题
1.1.2 智能土木结构
1.1.3 压电材料在智能结构方面的应用
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
1.2.2 国外研究进展
1.3 目前存在的问题
1.4 研究目的和内容
1.4.1 研究目的
1.4.2 研究内容
1.5 技术路线
第二章 压电理论基础
2.1 压电原理
2.1.1 压电效应
2.1.2 压电陶瓷的极化
2.2 压电材料性能参数
2.3 常用压电材料特性
2.4 压电换能器结构类型
2.5 压电发电计算理论
2.6 本章小结
第三章 基于压电促动器的智能预应力梁受弯试验
3.1 叠堆式压电促动器驱动特性试验研究
3.1.1 试验目的
3.1.2 试验装置
3.1.3 试验过程
3.1.4 试验结果
3.2 基于压电促动器的智能预应力梁受弯试验
3.2.1 材料选取和力学参数测定
3.2.2 试件设计
3.2.3 试验装置
3.2.4 加载方案
3.2.5 测量内容
3.2.6 试验结果
3.3 试验结论和存在的问题
3.4 本章小结
第四章 基于Ansys的压电智能预应力梁的非线性分析
4.1 模型建立和求解过程
4.1.1 基本模型的选取
4.1.2 单元选取
4.1.3 材料特性设置
4.1.4 压电智能驱动梁的几何模型建立
4.1.5 约束与荷载的设定
4.1.6 求解
4.2 结果提取及与分析
4.2.1 开裂荷载分析结果
4.2.2 跨中挠度分析结果
4.2.3 应力分析结果
4.3 参数分析
4.3.1 仿真试验设计
4.3.2 试验结果
4.3.3 直观法分析
4.3.4 方差分析
4.4 本章小结
第五章 压电振子发电和动力特性分析
5.1 前处理
5.1.1 材料参数设定
5.1.2 几何模型建立与电压耦合
5.2 静力分析
5.3 模态分析
5.4 谐响应分析
5.5 瞬态分析
5.6 压电片尺寸对电学输出的影响
5.7 本章小结
第六章 压电发电桥面铺装的换能效率与受力特性研究
6.1 单个压电振子能量输出估计
6.2 行车状况分析
6.3 压电发电单位的能量输出估计
6.4 压电换能装置埋设对桥面受力影响估计
6.4.1 基本参数选定
6.4.2 几何模型
6.4.3 两种铺装的计算结果对比
6.5 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献
【参考文献】：
期刊论文
[1]微粒混凝土基本力学特性及其影响参数的试验研究[J]. 李绿宇,国巍. 世界地震工程. 2016(04)
[2]堆栈式压电换能器在路面振动环境中的输出效能研究[J]. 黄斌,魏亚,路凯冀,汪林兵. 公路交通科技. 2016(08)
[3]智能材料的健康检测研究[J]. 王荣贤. 当代化工. 2014(10)
[4]路面用PZT/沥青压电复合材料的制备及性能[J]. 谭忆秋,钟勇,吕建福,欧阳剑,周水文. 建筑材料学报. 2013(06)
[5]路面振动压电俘能器的性能分析[J]. 孙春华,杜建红,汪红兵,尚广庆. 压电与声光. 2013(04)
[6]智能结构的压电片位置优化及主动控制研究[J]. 王军,苏洪波,杨亚东. 控制工程. 2013(03)
[7]Cymbal压电发电换能器有限元分析[J]. 卢义刚,颜振方. 振动与冲击. 2013(06)
[8]道路压电能量收集技术途径与研究展望[J]. 黄如宝,牛衍亮,赵鸿铎,常惠斌. 中国公路学报. 2012(06)
[9]沥青路面内桥式压电换能器性能分析[J]. 陶宇杰,赵鸿铎. 上海公路. 2012(01)
[10]基于压电效应的路面能量收集技术[J]. 赵鸿铎,梁颖慧,凌建明. 上海交通大学学报. 2011(S1)
硕士论文
[1]基于堆栈式压电换能器的路面能量收集技术研究[D]. 黄斌.交通运输部公路科学研究院 2016
[2]基于压电效应的路用能量收集器的研究[D]. 李从健.哈尔滨工业大学 2016
[3]一种基于压电陶瓷晶体的振动能量回收装置的研究[D]. 汪泽浩.浙江大学 2015
[4]连续刚构桥箱梁腹板裂缝成因分析及预应力效应研究[D]. 张晓.长安大学 2014
[5]压电发电技术在道路应用中的可行性研究[D]. 赵晓康.长安大学 2013
[6]基于压电陶瓷的俘能技术研究[D]. 刘平.南京邮电大学 2013
[7]基于压电材料的环境振动能量采集[D]. 朱波.南京航空航天大学 2013
[8]基于ANSYS的压电俘能器的优化设计研究[D]. 陈军.武汉理工大学 2012
[9]水泥基压电复合材料制备及其能量收集效果分析[D]. 刘彦昌.哈尔滨工业大学 2010
[10]高寒地区桥面铺装结构与材料应用技术研究[D]. 刘金利.长安大学 2010
本文编号：3031440
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 传统桥梁结构的裂缝问题
1.1.2 智能土木结构
1.1.3 压电材料在智能结构方面的应用
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
1.2.2 国外研究进展
1.3 目前存在的问题
1.4 研究目的和内容
1.4.1 研究目的
1.4.2 研究内容
1.5 技术路线
第二章 压电理论基础
2.1 压电原理
2.1.1 压电效应
2.1.2 压电陶瓷的极化
2.2 压电材料性能参数
2.3 常用压电材料特性
2.4 压电换能器结构类型
2.5 压电发电计算理论
2.6 本章小结
第三章 基于压电促动器的智能预应力梁受弯试验
3.1 叠堆式压电促动器驱动特性试验研究
3.1.1 试验目的
3.1.2 试验装置
3.1.3 试验过程
3.1.4 试验结果
3.2 基于压电促动器的智能预应力梁受弯试验
3.2.1 材料选取和力学参数测定
3.2.2 试件设计
3.2.3 试验装置
3.2.4 加载方案
3.2.5 测量内容
3.2.6 试验结果
3.3 试验结论和存在的问题
3.4 本章小结
第四章 基于Ansys的压电智能预应力梁的非线性分析
4.1 模型建立和求解过程
4.1.1 基本模型的选取
4.1.2 单元选取
4.1.3 材料特性设置
4.1.4 压电智能驱动梁的几何模型建立
4.1.5 约束与荷载的设定
4.1.6 求解
4.2 结果提取及与分析
4.2.1 开裂荷载分析结果
4.2.2 跨中挠度分析结果
4.2.3 应力分析结果
4.3 参数分析
4.3.1 仿真试验设计
4.3.2 试验结果
4.3.3 直观法分析
4.3.4 方差分析
4.4 本章小结
第五章 压电振子发电和动力特性分析
5.1 前处理
5.1.1 材料参数设定
5.1.2 几何模型建立与电压耦合
5.2 静力分析
5.3 模态分析
5.4 谐响应分析
5.5 瞬态分析
5.6 压电片尺寸对电学输出的影响
5.7 本章小结
第六章 压电发电桥面铺装的换能效率与受力特性研究
6.1 单个压电振子能量输出估计
6.2 行车状况分析
6.3 压电发电单位的能量输出估计
6.4 压电换能装置埋设对桥面受力影响估计
6.4.1 基本参数选定
6.4.2 几何模型
6.4.3 两种铺装的计算结果对比
6.5 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献
【参考文献】：
期刊论文
[1]微粒混凝土基本力学特性及其影响参数的试验研究[J]. 李绿宇,国巍. 世界地震工程. 2016(04)
[2]堆栈式压电换能器在路面振动环境中的输出效能研究[J]. 黄斌,魏亚,路凯冀,汪林兵. 公路交通科技. 2016(08)
[3]智能材料的健康检测研究[J]. 王荣贤. 当代化工. 2014(10)
[4]路面用PZT/沥青压电复合材料的制备及性能[J]. 谭忆秋,钟勇,吕建福,欧阳剑,周水文. 建筑材料学报. 2013(06)
[5]路面振动压电俘能器的性能分析[J]. 孙春华,杜建红,汪红兵,尚广庆. 压电与声光. 2013(04)
[6]智能结构的压电片位置优化及主动控制研究[J]. 王军,苏洪波,杨亚东. 控制工程. 2013(03)
[7]Cymbal压电发电换能器有限元分析[J]. 卢义刚,颜振方. 振动与冲击. 2013(06)
[8]道路压电能量收集技术途径与研究展望[J]. 黄如宝,牛衍亮,赵鸿铎,常惠斌. 中国公路学报. 2012(06)
[9]沥青路面内桥式压电换能器性能分析[J]. 陶宇杰,赵鸿铎. 上海公路. 2012(01)
[10]基于压电效应的路面能量收集技术[J]. 赵鸿铎,梁颖慧,凌建明. 上海交通大学学报. 2011(S1)
硕士论文
[1]基于堆栈式压电换能器的路面能量收集技术研究[D]. 黄斌.交通运输部公路科学研究院 2016
[2]基于压电效应的路用能量收集器的研究[D]. 李从健.哈尔滨工业大学 2016
[3]一种基于压电陶瓷晶体的振动能量回收装置的研究[D]. 汪泽浩.浙江大学 2015
[4]连续刚构桥箱梁腹板裂缝成因分析及预应力效应研究[D]. 张晓.长安大学 2014
[5]压电发电技术在道路应用中的可行性研究[D]. 赵晓康.长安大学 2013
[6]基于压电陶瓷的俘能技术研究[D]. 刘平.南京邮电大学 2013
[7]基于压电材料的环境振动能量采集[D]. 朱波.南京航空航天大学 2013
[8]基于ANSYS的压电俘能器的优化设计研究[D]. 陈军.武汉理工大学 2012
[9]水泥基压电复合材料制备及其能量收集效果分析[D]. 刘彦昌.哈尔滨工业大学 2010
[10]高寒地区桥面铺装结构与材料应用技术研究[D]. 刘金利.长安大学 2010
本文编号：3031440
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