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压电式路面振动能量收集系统设计及性能研究

压电式路面振动能量收集系统设计及性能研究

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作者：简进文深圳大学

学位级别：硕士

收集路面环境中的振动能量并将之用于感知节点的自供电方式具备很好的优越性。这种方式打破了传统的长距离有线供电与一次性电池供电的限制,解决了定期更换电池的困难,特别适用于传感节点分布范围广的交通领域。本文首先根据路面上的行... 详细信息

收集路面环境中的振动能量并将之用于感知节点的自供电方式具备很好的优越性。这种方式打破了传统的长距离有线供电与一次性电池供电的限制,解决了定期更换电池的困难,特别适用于传感节点分布范围广的交通领域。本文首先根据路面上的行车载荷特点和使用需求,设计了一种基于碟簧微变形的圆环式压电能量收集装置结构,并对结构及其关键零件进行了力学校核、应力集中研究与尺寸优化研究。在保证车辆行驶的舒适型、安全性以及保证路面使用寿命的前提下,研究了不同车载车速与能量收集系统电学输出性能的关系。其次,基于从材料到结构、从微观到宏观的双尺度视角,本文将压电复合材料模型和能量收集装置结构模型有机耦合,探索了填料的不同取向、长度以及含量变化对基于该压电复合材料的振动能量收集系统的电学输出性能影响。在具体的研究过程中,分别构建了压电复合材料的微观单胞模型和能量收集装置的宏观结构模型,改变微观单胞模型的填料状态从而得出压电材料的压电材料参数变化规律,将得到的材料参数输入到宏观结构模型中并添加边界约束条件进行时域研究,在结构力学场与静电场的多物理场耦合下,分析了PZT填料对压电复合材料的压电效应以及能量收集装置电学输出的影响。另外,本文还对PVDF/PZT型复合压电材料进行了制备与表征,分析了不同填料含量的复合材料的力学性能以及填料分布特点。最后,考虑所研究的能量收集装置应用在路面上,共振现象与环境温度对系统的输出性能都会产生巨大影响,因此本文还开展了振动频率及温度敏感性研究。本文从材料到结构、从微观到宏观的双尺度视角出发,设计了一种具有抗强载、微变形以及高电学输出等优点的契合路面使用的压电式振动能量收集系统,为实现智慧路面中感知节点的自供电奠定基础。

关键词：振动能量收集抗强载与微变形压电复合材料双尺度研究

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