路面車致變形的壓電俘能機(jī)理研究.pdf

1、當(dāng)前，解決能源問題已經(jīng)成為日趨重要的戰(zhàn)略性挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對傳統(tǒng)能源短缺后的困境，各種新能源的研發(fā)已成為國際熱點(diǎn)方向。利用壓電效應(yīng)從外界環(huán)境的機(jī)械能中獲取電能是當(dāng)前的重要研究方向之一。壓電材料本身經(jīng)過多年研究，已具有深厚的理論和技術(shù)積累，因其產(chǎn)品成熟、應(yīng)用廣泛、潛力巨大獲得了越多越多的關(guān)注，在機(jī)械、醫(yī)學(xué)及土木領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用，尤其在道路工程中更是有這廣闊的發(fā)展前景。
　　本文主要關(guān)注路面結(jié)構(gòu)中的壓電俘能問題，通過建立理論模型來研究交

2、通荷載作用下的壓電俘能機(jī)理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的壓電俘能實(shí)驗(yàn)來評估俘能效率，為實(shí)際工程中路面俘能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供理論和實(shí)驗(yàn)支持。
　　本文研究內(nèi)容主要分為以下幾個(gè)方面:
　　根據(jù)道路結(jié)構(gòu)的多層性、行車方向相對無限長的特點(diǎn)，采用內(nèi)嵌壓電層瀝青混凝土層合板模型，并將復(fù)雜的交通荷載簡化為諧振荷載，考慮壓電層的逆壓電效應(yīng)對整體結(jié)構(gòu)的影響，分析俘能系統(tǒng)的電學(xué)輸出與結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料特性以及電路狀態(tài)之間的關(guān)系。
　　考慮實(shí)際俘能系統(tǒng)中壓

3、電器件的非連續(xù)分布以及逆壓電效應(yīng)對整體結(jié)構(gòu)影響很小的特點(diǎn)，采用對應(yīng)的Timoshenko假設(shè)，用狀態(tài)方程求解各個(gè)彈性段上的狀態(tài)向量，利用傳遞矩陣法和連續(xù)性條件將各彈性段上的狀態(tài)向量聯(lián)系起來，最后考慮邊界條件，求解整個(gè)結(jié)構(gòu)各個(gè)位置處的變量。
　　在原有理論模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮瀝青路面穩(wěn)定基層及地基層對路面結(jié)構(gòu)變形的影響，利用Winkler地基模型來均勻化描述穩(wěn)定層和底基層的影響，分析彈性地基與其他參數(shù)的相互作用，特別是對結(jié)構(gòu)俘能

4、輸出功率的影響。
　　根據(jù)不同道路的使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)三種關(guān)于路面俘能的壓電實(shí)驗(yàn)。針對實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和結(jié)果，分析不同實(shí)驗(yàn)的俘能機(jī)理、效果、適用范圍和應(yīng)用前景，并著重闡述貼近實(shí)際工程、以車轍板為平臺的內(nèi)嵌壓電俘能器件車轍板俘能實(shí)驗(yàn)，利用車轍試驗(yàn)儀模擬路面交通中的移動(dòng)荷載，通過示波器記錄俘能器件的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有的電壓信號曲線變化缺乏規(guī)律，這是因?yàn)檐囖H板內(nèi)部并不是完全均勻的，在制作過程中存在不少空隙，造成器件在實(shí)驗(yàn)中沿多個(gè)方向變形;同

5、時(shí)車轍板表面不是完全平整，車輪會在滾動(dòng)過程中發(fā)生突跳，產(chǎn)生沖擊荷載。
　　以內(nèi)嵌壓電俘能器件車轍板俘能實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出相應(yīng)的純壓理論模型。用移動(dòng)均布荷載來表征車轍試驗(yàn)儀的加載情況，同時(shí)考慮到輸出電壓呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)，引入了傅里葉級數(shù)將俘能器件的應(yīng)力函數(shù)用三角級數(shù)展開，以此來解釋加載初期實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果之間的細(xì)微差異;得到俘能器件的輸出功率與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系;理論模型的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，驗(yàn)證了該模型的可靠性。然后深