铁路运输条件下压电俘能器的设计与性能仿真

摘要

随着交通强国，铁路先行的理念的提出，铁路作为当今社会现代化的重要交通方式，并且在其快速发展的情况之下，它的安全性和高速性给人们的出行带来了便捷。铁路车辆在运行过程中产生对周围环境的振动，这些振动能量在通常状况下被忽略和浪费，如果合理的把这一部分振动能量有效的收集起来将会对社会带来许多的便捷。与此同时，随着高科技信息产业的迅猛发展和大数据时代的步入，铁路应在保证运输安全的前提下进行路网完善和优化，随之也要加强车辆的技术状态和货物运输状态的实时监控，在铁路货车例如棚车等其内部无电源供电，所以这些监控电子产品需要电源来为其供电，如何使这些高端的无线传感设备正常供电供能成为一个研究设计的热点问题，这也就是论文需要解决的核心问题。所以本文研究内容如下:
　　1、以压电俘能器基本理论为主，对压电效应和压电振子振动基本理论分析，并结合振动频率成分、频谱特性、等效电路和悬臂梁模型建立，为设计与优化压电俘能装置提供理论依据。
　　2、通过悬臂梁式压电俘能器建模与仿真，按照理论设计两种不同结构的压电俘能器进行有限元分析。根据两种不同结构悬臂梁的结构参数分析、模态分析和谐响应分析来获得影响结构振动响应能量的因素，从而为该结构优化提供理论基础。
　　3、搭建振动平台进行实验验证，对多臂梁式双晶压电振子进行实验研究，确定振动频率与输出电压关系，为设计铁路运输条件下压电俘能器提供参考。
　　本文在分析铁路运输条件下的振动特性和振动环境的基础上，研究一种压电俘能装置的结构、振动基本特性、结构优化、等效电路等科学与技术问题，为开发一种适用于铁路货车行驶过程中振动能量收集的装置，提供理论价值和借鉴意义。同时顺应了节能环保，低碳减排的时代发展主题。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状及应用研究概况

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 应用现状

1．2．4 目前存在的问题

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 拟采用的技术路线

2 压电俘能器的基本理论分析

2．1 压电效应和压电振子的基本理论

2．1．1 压电材料及性能参数

2．1．2 压电效应

2．1．3 压电振子的概述及效应分析

2．2 悬臂梁压电振子的基本理论分析

2．2．1 悬臂梁压电俘能器结构设计

2．2．2 振动模型分析

2．2．3 多臂悬臂梁振动模型分析

2．3 发电理论分析

2．3．1 压电方程

2．3．2 压电俘能器等效电路模型

2．4 本章小结

3 悬臂梁压电俘能器的建模与仿真

3．1 有限元分析的基本理论

3．2 单悬臂梁结构的有限元分析

3．2．1 单悬臂梁式压电俘能器的结构参数

3．2．2 单悬臂梁式压电俘能器的模态分析

3．2．3 单悬臂梁式压电俘能器的谐响应分析

3．3 多悬臂梁式压电俘能器的仿真分析

3．3．1 多悬臂梁式压电俘能器的结构参数

3．3．2 多悬臂梁式压电俘能器的模态分析

3．3．3 多悬臂梁式压电俘能器的谐响应分析

3．4 本章小结

4 悬臂梁式压电俘能器的实验研究

4．1 压电俘能器的实验准备

4．2 试验台建立

4．3 实验测试

4．3．1 单悬臂梁压电俘能器实验分析

4．3．2 多臂悬臂量压电俘能器的实验测试

4．3．3 单悬臂梁压电输出实验

4．3．4 多臂悬臂梁压电俘能器的压电输出实验

4．4 电路分析

4．5 本章小结

结论

致谢

参考文献