基于車軌耦合模型的軌道變形能俘獲研究.pdf

1、近年來，中國在軌道交通事業(yè)上實現(xiàn)跨越式發(fā)展。在鐵路建設(shè)朝向高密度、高速、重載的發(fā)展過程中，保障列車安全運營已成為當(dāng)前一項緊迫任務(wù)。在鐵路沿線布置大量無線傳感器是一個行之有效的辦法，然而由于化學(xué)電池使用壽命短的缺點，使無線傳感器的應(yīng)用受到了一定制約。供能問題影響著新一代無線傳感技術(shù)及智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，因此從周圍環(huán)境中俘獲能量為無線傳感器供能已成為一個重要課題。其中，壓電材料具有優(yōu)異的力電耦合性質(zhì)，利用壓電材料制作的俘能器可高效地收集環(huán)境

2、中廣泛存在的機(jī)械能量。
　　本文采用壓電疊堆型俘能器對軌道變形能進(jìn)行俘獲，建立理論分析模型與數(shù)值分析模型，詳細(xì)對其俘能特性進(jìn)行研究，為解決鐵路沿線無線傳感器及其它電子設(shè)備供能的問題提供新思路。圍繞該主題，本文主要內(nèi)容如下:第一章給出了課題研究背景和意義，并對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述;第二章介紹了軌道變形能俘獲的基本理論與求解方法;第三章在車輛-軌道耦合模型的基礎(chǔ)上，考慮壓電疊堆俘能器剛度對軌道結(jié)構(gòu)的影響，建立了車輛-軌道-俘能器耦

3、合模型，通過新型預(yù)測-校正數(shù)值積分方法求出軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，并應(yīng)用壓電理論獲得壓電疊堆俘能器的電學(xué)輸出，將所得結(jié)果與有限元軟件ANSYS仿真結(jié)果進(jìn)行對比，保證理論和計算的正確性，結(jié)果表明單個俘能器在車輛移動作用下可俘獲焦耳量級能量，同時討論了車輛狀況、軌道結(jié)構(gòu)對俘能及傳感特性的影響，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)電阻是提高俘獲能量的關(guān)鍵參數(shù)，并研究了壓電層幾何參數(shù)對俘能的影響，利用此規(guī)律可合理設(shè)計并優(yōu)化壓電疊堆俘能器;第四章考慮實際情況，研究了多個壓電俘能

4、器協(xié)同工作時的俘能特性，基于壓電理論與Kirchhoff電流定律推導(dǎo)了串聯(lián)連接與并聯(lián)連接的電路控制方程，并利用有限元軟件ANSYS中壓電分析模塊進(jìn)行驗證，最后通過數(shù)值計算討論了連接方式、俘能器個數(shù)、安裝距離對俘能特性的影響，結(jié)果表明俘能器共同工作可提高俘獲能量，但受串并聯(lián)電路效率的影響，收集能量不隨俘能器個數(shù)增加而線性增加，此外并聯(lián)電路適用于等效負(fù)載較小的情況而串聯(lián)電路反之;第五章總結(jié)了全文主要結(jié)論，并對后續(xù)研究進(jìn)行了思考和展望。