沥青路面健康监测系统供能用开槽钹式压电换能器研究

摘要

路桥结构耐久性和安全问题一直是路桥建设与维护的重点，对路桥面结构的性能进行实时监测就显得尤为重要，这就对健康监测系统的相关技术提出了一定要求。目前监测系统的内置微型电源性能还存在欠缺，无法很好的满足监测需要。在路桥监测系统电源方面目前主要使用 Cymbal压电换能器作为内置电池为系统供能。而其中的Cymbal压电换能器存在应力集中，这样会降低其使用寿命，对其金属帽表面进行开槽处理，可以提高压电性能。目前，在路面能量转化和回收方面主要的设备为压电换能器。这种能量回收设备效率高且符合环保相关理念，开始受到广泛关注。本文主要是研究这种新型的压电换能器，研究时主要利用了有限元模型和其他压电相关理论和方法，主要理论和所得结果如下：
　　首先，在参考路面结构和车辆运动特点基础上，依据压电耦合相关原理，选择了性能较优的Cymbal压电换能器结构，并进一步研究了其转化效率和能量输出特性，还分析了影响其开路电压与转化率的相关因素。
　　其次，利用ANSYS软件对此种埋入式压电换能器进行了分析，并建立了有限元模型。然后结合路面信息和材料特征而确定出其主要性能和结构参数，并分析了这些参数和其开路电压、陶瓷应力等之间的关系，从而最终得到此种换能器的最佳结构尺寸。
　　再次，由于Cymbal压电换能器中存在应力集中，导致工作寿命短，对金属帽表面进行开槽处理，提高压电性能，延长换能器使用寿命。利用软件建立了其有限元分析模型，并给出在沥青路面环境下其电能计算方法，论述了开槽参数对Cymbal压电换能器主要能量转换参数的影响；并探讨了受埋置深度影响下其相关性能变化。研究结果表明：埋入式开槽型Cymbal压电换能器不仅能提高输出电压，并且在减小环向应力方面有明显的作用。
　　最后，为了更好的应用在路面内为健康监测系统供能，进行Cymbal型换能器电学等效分析，使用ANSYS软件对复合型Cymbal换能器建立模型，并具体分析探明了各种复合型 Cymbal换能器的特性。结果表明，埋入式复合型 Cymbal压电换能器中多层叠堆开环形槽式Cymbal的各项性能最佳。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究的背景、目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

第2章Cymbal型压电发电单元结构参数的有限元模拟

2.1压电原理

2.2 建立埋入式Cymbal型压电发电单元有限元分析模型

2.3压电换能器与路面的协调性

2.4结构参数的优化分析

2.5本章小结

第3章埋入式开槽型Cymbal压电换能器模拟分析

3.1压电换能器的材料选择

3.2电能计算

3.3开槽式Cymbal型压电发电单元性能影响因素分析

3.4开槽结构综合分析

3.5本章小结

第4章 复合型开槽Cymbal换能器分析与仿真

4.1 Cymbal型换能器电学等效分析

4.2多层PZT复合型Cymbal换能器仿真分析

4.3多层叠堆式Cymbal换能器仿真分析

4.4本章小结

结论及展望

一、结论

二、创新点

三、展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果

致谢