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沥青路面健康监测系统供能用开槽钹式压电换能器研究
| 论文题名： | 沥青路面健康监测系统供能用开槽钹式压电换能器研究 |
| 关键词： | 沥青路面;健康监测系统;压电换能器;有限元模型 |
| 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。 |
| 作者： | 陈伟豪 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 毛继泽 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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