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原文传递路面车致变形的压电俘能机理研究

论文题名：	路面车致变形的压电俘能机理研究
关键词：	路面结构;车致变形;压电俘能
摘要：	当前，解决能源问题已经成为日趋重要的战略性挑战。为了应对传统能源短缺后的困境，各种新能源的研发已成为国际热点方向。利用压电效应从外界环境的机械能中获取电能是当前的重要研究方向之一。压电材料本身经过多年研究，已具有深厚的理论和技术积累，因其产品成熟、应用广泛、潜力巨大获得了越多越多的关注，在机械、医学及土木领域都有大量的应用，尤其在道路工程中更是有这广阔的发展前景。　　本文主要关注路面结构中的压电俘能问题，通过建立理论模型来研究交通荷载作用下的压电俘能机理，设计相应的压电俘能实验来评估俘能效率，为实际工程中路面俘能系统的设计和研发提供理论和实验支持。　　本文研究内容主要分为以下几个方面: 　　根据道路结构的多层性、行车方向相对无限长的特点，采用内嵌压电层沥青混凝土层合板模型，并将复杂的交通荷载简化为谐振荷载，考虑压电层的逆压电效应对整体结构的影响，分析俘能系统的电学输出与结构几何尺寸、材料特性以及电路状态之间的关系。　　考虑实际俘能系统中压电器件的非连续分布以及逆压电效应对整体结构影响很小的特点，采用对应的Timoshenko假设，用状态方程求解各个弹性段上的状态向量，利用传递矩阵法和连续性条件将各弹性段上的状态向量联系起来，最后考虑边界条件，求解整个结构各个位置处的变量。　　在原有理论模型的基础上，进一步考虑沥青路面稳定基层及地基层对路面结构变形的影响，利用Winkler地基模型来均匀化描述稳定层和底基层的影响，分析弹性地基与其他参数的相互作用，特别是对结构俘能输出功率的影响。　　根据不同道路的使用特点，设计三种关于路面俘能的压电实验。针对实验特点和结果，分析不同实验的俘能机理、效果、适用范围和应用前景，并着重阐述贴近实际工程、以车辙板为平台的内嵌压电俘能器件车辙板俘能实验，利用车辙试验仪模拟路面交通中的移动荷载，通过示波器记录俘能器件的输出电压。实验结果发现，有的电压信号曲线变化缺乏规律，这是因为车辙板内部并不是完全均匀的，在制作过程中存在不少空隙，造成器件在实验中沿多个方向变形;同时车辙板表面不是完全平整，车轮会在滚动过程中发生突跳，产生冲击荷载。　　以内嵌压电俘能器件车辙板俘能实验为基础，提出相应的纯压理论模型。用移动均布荷载来表征车辙试验仪的加载情况，同时考虑到输出电压呈现周期性的特点，引入了傅里叶级数将俘能器件的应力函数用三角级数展开，以此来解释加载初期实验结果和理论结果之间的细微差异;得到俘能器件的输出功率与各个影响因素之间的关系;理论模型的数值结果与实验数据非常吻合，验证了该模型的可靠性。然后深入研究了俘能结构输出电压和功率与俘能器件的串并联数目、外接负载、加载周期和作用宽度以及俘能器件尺寸之间的尺度律关系，并提出基于实际交通环境下的车辆移动速度、车间距和行车环境与俘能系统输出功率之间的内在联系。　　本文建立的尺度律关系指明了沥青路面未来的发展方向和研究内容，为道路俘能系统理论研究和工程应用提供一定的借鉴作用。
作者：	陈奕声
专业：	道路与交通工程
导师：	吕朝锋
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文