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基于MFC压电悬臂梁的地铁轨道振动能量收集装置研究
| 论文题名： | 基于MFC压电悬臂梁的地铁轨道振动能量收集装置研究 |
| 关键词： | 地铁轨道;振动收集装置;压电悬臂梁;压电纤维复合材料 |
| 摘要： | 近年来，随着社会经济的发展，城市轨道交通逐渐成为人们出行的首要选择，城市轨道交通行业也处于新一轮的上升期，智能交通系统已成为未来城市轨道交通发展热点。而在轨道沿线布置大量无线传感器来对列车的行车安全进行实时监测，是实现智能交通系统的必然趋势。然而传统化学电池供能寿命有限，使无线传感器的应用受到了一定制约，能源供给问题是基于无线传感网络的智能交通系统的发展亟待解决的问题。而利用列车通过时轨道产生振动能量转换为电能收集起来，作为无线传感器等设备的自供能，不仅可以克服传统供电方式的缺点且节能环保，无疑具有广阔的应用前景。而常规振动俘能装置所采用的压电陶瓷材料极限受拉承载力弱，导致传统的压电俘能器在工程应用中极易开裂损坏，与其持续供能的初衷相违背。压电纤维复合材料（MFC）具有优异的柔韧性、耐久性，恰恰能弥补这一缺陷。然而以MFC材料为基础的俘能器在地铁轨道振动能量俘获中的应用鲜有报道，其俘能机理、能量输出特性鲜有研究。鉴于此，本文将MFC材料用于地铁轨道低频振动能量收集进行研究。主要工作如下： （1）详细介绍了现阶段国内外静电式、压电式和电磁式等的振动发电技术的研究现状。论述了包括轨道在内的交通领域中振动俘能机理及研究现状，并指出了现有研究的不足之处，提出了本文主要研究的方向和内容。 （2）建立MFC俘能器输入荷载模型，即基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了列车-轨道垂向相互作用模型，模拟得到了钢轨在地铁列车荷载作用下的动力响应；建立MFC俘能器电学输出模型，即基于混合规则和代表体积元建立d33型悬臂式MFC俘能器的力电耦合模型，并将钢轨的动力响应作为俘能器的输入荷载，并求解预测其在谐波激励及一般瞬态激励下电学输出响应。 （3）研究MFC俘能器在材料参数、几何参数、负载电阻及列车荷载特性等因素下的电学响应及发电性能。 （4）通过实验验证了所建立MFC俘能器理论分析模型的正确性。最后基于LTC3588-1芯片进行了地铁轨道振动能量收集-存储模拟，设计了一套完整的低耗能无线传感网络节点，验证了MFC俘能器用于无线传感节点供能的可行性。 |
| 作者： | 陈谣 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 谢伟平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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