近年來,橋梁建設(shè)快速發(fā)展,其健康狀況對交通系統(tǒng)安全運營至關(guān)重要。將車輛運行過程中引起的橋梁振動能收集起來,并為橋梁監(jiān)測系統(tǒng)提供源源不絕的電源,可克服傳統(tǒng)供電方式的不足,有望實現(xiàn)橋梁長期自供能監(jiān)測。在此背景下,本文采用懸臂型壓電俘能器對車致橋梁振動進(jìn)行能量收集,從理論機制、俘能器設(shè)計方法和能量存儲三個方面進(jìn)行了研究,主要研究工作和結(jié)論如下:(1)建立了車致橋梁振動下壓電能量收集系統(tǒng)的定解方程并獲得其解答,揭示了車橋耦合作用下影響能量收集的物理機制,為研究車致橋梁振動下的能量收集問題奠定了基礎(chǔ)。首先采用梁理論分別建立了橋梁和俘能器的分布參數(shù)控制方程,然后采用模態(tài)疊加法進(jìn)行求解,并獲得了無阻尼情況下俘能器電壓輸出的閉合解;采用移動荷載、移動質(zhì)量和移動振子車輛模型,探討了俘能器自身特性、俘能器安裝位置、路面狀況以及車輛振動頻率等因素對能量收集的影響。研究表明:當(dāng)俘能器諧振頻率與橋梁固有頻率接近時,能量收集的大小與俘能器安裝位置處振型的平方成比例;當(dāng)車輛振動頻率接近俘能器諧振頻率或橋梁固有頻率時,能量收集出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象;當(dāng)路面不平順時,不同車輛模型給出的能量收集預(yù)測結(jié)果有較大差別,移動振子模型預(yù)測...

【文章頁數(shù)】：143 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１－２壓電能量收集系統(tǒng)??

??俘能器能量輸出效率較低，適用性不強。對于模式，如圖１－１?所示，在進(jìn)??行能量收集時，俘能器中的壓電材料主要受到剪切應(yīng)力作用ｌ３Ｚ３３１，剪應(yīng)力方向與??極化方向平行并與產(chǎn)生的電場方向垂直。與其它壓電系數(shù)相比，普通壓電材料的??ｄｌ５壓電系數(shù)最大，但在進(jìn)行能量收集時壓電材料的....

圖２－１懸臂型壓電俘能器模型圖??Ｆｉｇｕｒｅ?２－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄ?ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｅｎｅｒｇｙ?ｈａｒｖｅｓｔｅｒ??

２．２懸臂型俘能器基本理論??在振動環(huán)境中進(jìn)行能量收集時，采用懸臂型壓電俘能器有較高的能量收集效??率。本文將以圖２－１所示的俘能器為能量收集裝置［４７］，它是三層層合梁結(jié)構(gòu)，其??中，中間層為彈性基層，為俘能器提供主要剛度；上下兩層為壓電層，壓電層上下??表面均涂有銀電極。當(dāng)兩....

圖２－２俘能器等效電路模型??Ｆｉｇｕｒｅ?２－２?Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ＰＥＨ??

學(xué)與電學(xué)之間存在著類比關(guān)系［５９］，如表２－１所示。由表中類比關(guān)系可以確定俘能??器的等效電路參數(shù)，因此就可以通過電學(xué)軟件建立俘能器的等效電路模型來評估??俘能器的能量收集性能。俘能器等效電路模型如圖２－２所示，其由無限個分支組??成，每個分支均由電感、電容、電阻、理想電壓源、理....

圖３－３理論結(jié)果與ＡＮＳＹＳ仿真結(jié)果對比：⑷輸出電壓；（６）收集能量（阻尼??

?１．０??Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ?Ｔｉｍｅ?ｔ�。舂�??圖３－２理論計算結(jié)果與ＡＮＳＹＳ仿真結(jié)果輸出電壓對比（無阻尼）??Ｆｉｇｕｒｅ?３－２?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｏｕｔｐｕｔｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐｒｅｓｅｎｔ?ａｎａｌｙｔｉｃａｌ?ｓｏｌｕｔｉｏｎ?ａｎ....

本文編號：3956879