考虑惯性影响的车致轨道振动能量俘获研究

摘要

近年来，环境能量俘获技术受到国内外的高度关注，尤其是车致振动能量俘获已经成为一个新兴的研究方向。随着国内经济发展的需要，铁路建设非常迅速，在庞大的铁路网下蕴藏着巨大的环境能量。实际上，列车行驶会引起铁路轨道的变形和振动，产生大量的机械变形能和振动能，利用能量俘获技术把这些能量转化成电能并储存起来，可以为铁路沿线结构的检测、监测以及铁路周边的用电设施等提供电能。
　　本文正是基于上述背景，以车致轨道振动和变形能俘获为研究对象，根据压电理论，采用压电俘能器将轨道机械能转换成电能，重点在于建立分析模型和探明影响俘能输出的各种因素。全文共分为五章:第一章给出了课题的研究背景、意义和国内外研究现状;第二章对车致轨道振动俘能的相关研究理论和方法进行简单地回顾和叙述;第三章建立了车致轨道振动的分析模型，即将铁路轨道简化为弹性点支撑作用的多跨Timoshenko梁，列车荷载简化为移动质量，考虑了惯性效应的影响，采用传递矩阵法、振型叠加法和Newmark法联合求解了梁的动力响应并分析了移动质量大小、移动速度和惯性力对动力响应的影响;第四章以轨道的动力响应作为压电俘能器的输入，并且为了方便分析，将储能系统简化为电阻负载，由此建立车致轨道振动俘能的理论解析，基于此解，重点考察了列车运行参数对俘能输出的影响，也就是详细分析了移动质量大小、移动速度和惯性力等因素对输出特性的影响;第五章采用目前常用的能量收集电路，考虑了能量储存过程，因为理论电路部分是高度非线性的，给出解析解非常困难，因此，本文采用Simulink对带有实际能量收集电路的车致轨道振动能量俘获过程进行了仿真，模拟了电池充电的全过程，比较了移动质量大小、移动速度、惯性力以及能量收集电路和储能元件对储能效率的影响。
　　本文为铁路轨道压电俘能方面的理论研究以及铁路轨道俘能的应用提供了参考和借鉴。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 移动质量作用下梁的动力响应

1．2．2 压电俘能应用研究现状

1．2．3 压电俘能结构理论研究现状

1．2．4 能量收集电路

1．2．5 能量储存元件

1．3 本文主要研究内容

2 基本理论

2．1 梁结构动力响应的求解方法

2．1．1 振型叠加法

2．1．2 Newmark法

2．2 压电基本理论

2．2．1 压电本构方程

2．2．2 压电俘能结构的分析方法

2．3 能量收集电路

2．3．1 标准能量收集电路

2．3．2 串联同步开关电感电路

2．3．3 并联同步开关电感电路

2．3．4 同步电荷提取电路

2．4 Simulink仿真

3 铁路轨道的动力响应分析

3．1 计算模型

3．2 理论分析与求解

3．3 数值计算

3．4 本章小结

4 压电俘能电路的输出特性

4．1 电路模型

4．2 理论分析

4．3 数值计算及结果分析

4．4．1 外接负载对输出特性的影响

4．4．2 最优阻值

4．4．3 移动速度对输出特性的影响

4．4 本章小结

5 压电俘能器及SiIIlulink仿真

5．1 压电俘能器

5．1．1 压电俘能结构

5．1．2 能量收集电路

5．1．3 储能元件

5．2 Simulink仿真

5．2．1 输入信号

5．2．2 仿真电路

5．2．3 仿真结果

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 思考与展望

参考文献

作者简历

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