[发明专利]一种路面冲击能的俘电装置和计算方法

权利要求书

1.一种路面冲击能的俘电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：车轮首先接触压块并将车重传递给压电堆，所述压电堆发生形变产生d₃₃模式的电荷，从而求出电压、电能及功率：

Q＝nd₃₃Fl＝CU，

其中，n为压电堆的压电片数，h为压电堆的压电片高度，l＝n*h为压电堆的高度，A为压电堆的横截面积，∈^T为在常应力下的介电常数，d₃₃为耦合系数，为等效电容，为压电椎的内应力，为施加在压电堆的有效车重，F₀为加载到压电堆上的车重，一般取1/4的总车重，碾压时间τ_D＝D/V，两轮的相隔时间τ_L＝L/V，V为车速，D为压电堆平行车辆行驶方向的直径，L为车轴距；

步骤2：车轮接触冲击锤锤头并将车速转换为位移激励传递给压电悬臂梁，所述压电悬臂梁发生振动产生d₃₁模式的电量及电压为：

其中，ε_p为压电层每点应变和车速有关，b为压电悬臂梁的梁宽度，L为压电悬臂梁的梁长度，d₃₁为应变耦合系数。

2.根据权利要求1所述的一种路面冲击能的俘电方法，其特征在于，步骤二包括如下步骤：

步骤2.1：车轮接触锤头时，相当于给压电悬臂梁施加的一个位移激励w₀(t)，此时压电层发生d₃₁模式的相变，并在两个电极表面产生符号相反的电荷，引起压电层内的极间电压来发电，所述位移激励w₀如公式(1)所示：

w₀(t)＝A₀sinωt (1)

公式(1)中，A₀为振幅，ω是圆频率，和车速相关；

步骤2.2：在竖向激励w₀的作用下，利用压电悬臂梁的运动微分方程求解梁挠度w(x,t)，所述压电悬臂梁的运动微分方程如公式(2)所示：

公式(2)中，EI为压电悬臂梁的抗弯模量，内弯矩M(x,t)包含两个部分：第一部分是由分布质量引起的内弯矩M_q如公式(3)所示：

第二部分是由质量块M引起的内弯矩M_F如公式(4)所示：

将公式(3)和公式(4)代入公式(2)中，得到压电悬臂梁受位移激励w₀(t)的振动方程，如公式(5)所示：

求解公式(5)得到梁挠度w(x,t)如公式(6)所示：

公式(6)中，C[1](t)根据压电悬梁臂的边界条件x＝0，w₀(0,t)＝w₀(t)求解得到C[1](t)＝w₀(t)，C[2](t)根据任何时刻t，挠角为0求解得到C[2](t)＝0，从而求解梁挠度w(x,t)如公式(7)所示：

步骤2.3根据内弯矩M(x,t)求解压电层两极表面产生的电荷Q_P：

基层对应的惯性矩I_s及压电层对应的惯性矩I_p如公式(8)所示：

公式(8)中，b为梁的宽度，h_s为基层高度，h_p为压电层高度，为基层中心轴距离压电层及基层中心轴的距离，A_s为基层面积，A_p为压电层面积，E_s为基层的杨氏模量，E_p为压电层的杨氏模量；

根据基层对应的惯性矩I_s、压电层对应的惯性矩I_p及z₀求解压电层的应变ε_p，如公式(9)所示：

公式(9)中的M(x,t)为内弯矩，所述内弯矩M(x,t)根据将公式(7)代入公式(2)求解；

根据平均应变求解电位移D如公式(10)所示：

公式(10)中d₃₁为应变耦合系数，为压电层的平均应变；

根据电位移D求解压电层两极表面产生的电荷Q_P，公式(11)所示：

步骤2.4：根据压电层两极表面产生的电荷Q_P求解没有负载情况下的极间电压，如公式(12)所示：

公式(12)中，∈^T为压电层介电系数。