基于压电悬臂梁的铁路钢桁梁桥 振动能量收集方案研究
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2023年02月23日 10:46:30
来自于桥梁工程
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   引言    车辆通过桥梁时往往会产生车桥耦合振动现象,车桥耦合振动导致的桥梁结构振动能量往往自由耗散。若能将桥梁振动能量有效利用,为桥梁健康监测系统供能会很有意义。    近年来,国内外一些研究单位致力于结构振动能量的回收利用,并已取得了一些重要成果。Yuan等研究了安装于轨道下方的振动能量回收装置;Zhang等针对移动简谐荷载作用下的简支梁桥,应用机电耦合理论推导了压电能量收集装置,可收集能量和电压的解,并探讨了荷载频率与安装位置等参数的变化对该能量的影响;Peigney等对一座预应力混凝土高速公路桥梁的实测动力响应进行分析,设计了一种压电悬臂梁能量收集装置,用于可收集能量的预测;Zhang等Ⅲ利用ANSYS和MATLAB数值模拟了混凝土梁桥在一辆车过桥和连续车流过桥2种情况下的可收集能量;Ali等通过理论分析研究了压电能量收集装置应用于高速公路桥梁,并为桥梁健康监测系统供电的可能性;Gal—chev等针对桥梁低幅值以及低频的振动特点,开发了一种电磁式振动能量发生器(PFIG)为桥梁健康监测系统供电;Karimi等探究了集中质量和分布质量2种车辆模型作用下,压电悬臂梁能量收集装置可以收集能量的量级。以上研究结果表明:虽然结构振动能量密度值较小,但是为结构健康监测传感器这种微功耗负载供能仍然存在可行性,有望解决传统结构健康监测系统电线布设、维护、更换的问题。但这些研究大多针对公路桥梁,或基于理想化的简化结构响应进行分析。



   引言

   车辆通过桥梁时往往会产生车桥耦合振动现象,车桥耦合振动导致的桥梁结构振动能量往往自由耗散。若能将桥梁振动能量有效利用,为桥梁健康监测系统供能会很有意义。

   近年来,国内外一些研究单位致力于结构振动能量的回收利用,并已取得了一些重要成果。Yuan等研究了安装于轨道下方的振动能量回收装置;Zhang等针对移动简谐荷载作用下的简支梁桥,应用机电耦合理论推导了压电能量收集装置,可收集能量和电压的解,并探讨了荷载频率与安装位置等参数的变化对该能量的影响;Peigney等对一座预应力混凝土高速公路桥梁的实测动力响应进行分析,设计了一种压电悬臂梁能量收集装置,用于可收集能量的预测;Zhang等Ⅲ利用ANSYS和MATLAB数值模拟了混凝土梁桥在一辆车过桥和连续车流过桥2种情况下的可收集能量;Ali等通过理论分析研究了压电能量收集装置应用于高速公路桥梁,并为桥梁健康监测系统供电的可能性;Gal—chev等针对桥梁低幅值以及低频的振动特点,开发了一种电磁式振动能量发生器(PFIG)为桥梁健康监测系统供电;Karimi等探究了集中质量和分布质量2种车辆模型作用下,压电悬臂梁能量收集装置可以收集能量的量级。以上研究结果表明:虽然结构振动能量密度值较小,但是为结构健康监测传感器这种微功耗负载供能仍然存在可行性,有望解决传统结构健康监测系统电线布设、维护、更换的问题。但这些研究大多针对公路桥梁,或基于理想化的简化结构响应进行分析。

   铁路钢桁梁桥承担的荷载较大,结构振动能量密度高,是较理想的振动能量收集方案应用对象。因此,为研究在铁路钢桁梁桥布设能量收集装置的最佳位置,给桥梁健康监测系统供电的可行性,基于压电悬臂梁能量收集基本原理,以一座有砟轨道96 m双线下承式简支钢桁梁桥为背景,研究铁路钢桁梁桥振动能量转化为电能的收集方案。

  2压电悬臂梁能量收集基本原理

  2.1压电能量收集装置

  振动能量收集方式主要包括电磁式、电容式和压电式,其中压电式可以达到相对更高的电压和功率密度,且适用于长寿命周期的微功耗电子器件。本文研究基于双晶式悬臂梁结构的31型压电发电装置。这种装置(见图1)通常将压电陶瓷(PZT)作为压电薄膜材料贴于铁基两侧,并在梁端放置质量块,通过向基底施加激励促使悬臂梁振动,使得PZT产生应变,从而产生异号电荷,将振动能转化为电能。



   通常压电悬臂梁可以简化为单自由度的振动能量产生单元。对于单自由度振动能量产生单元,振动和电压耦合方程为:


   2.2 MATLAB仿真求解

  基于机电耦合理论得到基底激励与可收集能量的关系,利用MATLAB中SIMULINK拉普拉斯变换迭代求解。为验证模型准确性,采用参考文献中斜拉索最右侧测点竖向加速度作为输入,电压时程作为输出进行验证,其中压电能量收集装置相关参数按照参考文献设置。对比结果表明,本文模拟结果较好,验证了压电悬臂梁模型的正确性。

   3能量收集方案研究

   3.1桥梁概况及车一线一桥耦合振动模型

   某有砟轨道96 m双线下承式简支钢桁梁桥设计速度250 km/h,主桁中心距14 m,桁高12 m,节间长度12 m。桥面采用正交异性钢桥面,不设纵梁,采用密布横梁体系,每隔3 m设1道横肋,每隔12 m设1道横梁。

   通过车一线一桥耦合振动理论可以获得桥梁各处(构件)的动力响应,作为基底激励。车一线一桥耦合振动模型考虑35个自由度的铁路机车车辆,桥梁采用空间梁一杆系有限元模型(见图2),轨道采用简支梁模型。采用New ** rk-fl法求解桥梁结构动力响应。通过桥梁动力分析软件BDAP 2.0进行动力仿真计算。考虑双线行车,采用16节CRH2型动车组,运行速度为250 km/h,采用德国轨道不平顺低干扰谱。



   3.2桥梁加速度响应

   为探究压电能量收集装置的最佳安装位置,考虑到该桥为双向对称结构,选择1/4结构进行研究。将全桥分为3个平面,即桥面所在的水平面(平面一),主桁所在的竖平面(平面二)以及上平纵联所在的水平面(平面三)。沿桥梁纵向L/2、3L/4和L处,选择包括横梁、上下弦杆、斜杆和上平联的30根杆件,输出动力响应。限于篇幅,本文仅给出跨中附近10个位置处的桥梁竖向加速度最大值(见表1)。



   由结果可知,随着车速增加,桥梁的加速度响应幅值增加;跨中附近杆件动力响应最大位于跨中横梁中心(位置4);平面一(位置1~12)动力响应显著。

   3.3压电悬臂梁参数设计

   当压电悬臂梁发生共振时应变能最大,可收集能量也最高。为了尽可能地将振动能转化为电能,压电悬臂梁设计时,应与桥梁共振。为了找到桥梁动力响应中的贡献频率,将加速度时程曲线进行功率谱密度变换(PSD),得到峰值对应频率点,并将其作为设计压电悬臂梁的基频,再根据第2节进行参数设计,最终得到压电悬臂梁尺寸。

   由于不同位置处,加速度频谱不同,峰值对应频率也不同,本文以跨中下弦节点(位置1)为例,研究压电悬臂梁基频的选取。跨中下弦节点振动加速度的功率谱密度曲线如图3所示。



                图3  跨中下弦节点加速度功率谱密度曲线

   本文选取4个峰值(见图3)对应频率作为压电悬臂梁的基频进行设计。通过改变悬臂梁长度与末端质量块质量来调整基频,进行可收集能量计算。位置1可收集能量平均值频率如图4所示。



                      图4  位置1可收集能量平均值频率

   由图4可知,位置1可收集能量随着频率的增加逐渐降低,因此选取第一个峰值对应频率作为压电悬臂梁基频进行设计。通过分析发现,桥梁其它位置处的峰值和频率的关系也表现出相似的变化规律,前2阶峰值对应频率就可以得到最大的可收集能量。这是由于压电悬臂梁的基频越小,梁长越长,质量块质量越大,压电陶瓷在振动时的应变也越大,即使桥梁加速度前几阶频率的PSD峰值并不是最高,可收集能量值仍是最大的。

   综上所述,桥梁不同位置处动力响应不同,功率谱密度变换下的加速度频谱存在明显差异,需要根据其振动特性设计压电悬臂梁的参数。分别计算全桥30个不同位置处压电悬臂梁的基频,并确定几何尺寸,其中压电陶瓷采用PZT一5H,压电悬臂梁固定参数如表2所示。限于篇幅,表3仅列出部分位置的悬臂梁可变参数。位置8~12的悬臂梁基频(以下简称基频)与位置7相同,长度和质量块质量与位置7的一致。基频最大值位于位置24,达到6.409Hz,最小值为1.706 Hz,位于位置1、2、13、14、22、28。沿桥梁纵向,基频随着位置由跨中向支座处靠近,基本呈现递增规律。

   3.4布置方案

   以桥梁健康监测系统作为供能对象,研究能量收集装置的布设方案。根据上节不同位置处的压电悬臂梁尺寸,将桥梁竖向加速度响应作为其激励,基于MATLAB进行仿真分析,得到不同位置可收集的能量(见图5),并根据3.1节所述分为3个平面进行研究。

                                     表2    压电悬臂梁固定参数







   由图5(a)可知,沿桥梁纵向看,随着位置由跨中向支座移动,下弦节点(位置1、2、3)以及下弦中点(位置7、8、9)的可收集能量平均值逐渐减小,而横梁中点(位置4、5、6)以及横肋中点(位置10、11、12)的可收集能量略微减小。因为从桥梁跨中到支座,约束刚度增加,杆件振动越来越频繁,相应的可收集能量也会增加。沿桥梁横向看,横肋与横梁中点处的能量大于对应的下弦中点与节点,这与桥梁加速度变化规律是一致的。

  由图5(b)可知,沿桥梁纵向看,主桁所在竖平面杆件可收集能量随位置向跨中移动而减小,这与下弦节点与中点原因相同。下弦中点处(位置7、8、9)的能量最大,斜杆中点处(位置4、5、6)与上弦节点(位置16、17、18)、上弦中点(位置19、20、21)的能量接近,幅值较小,这与桥梁加速度响应是一致的。由于压电悬臂梁基底激励的变化,导致可收集能量从下到上递减。

  由图5(c)可知,对于平面三,沿桥梁纵向看,上弦节点(位置16、17、18)与上弦中点(位置19、20、21)能量变化与前述一致。横撑中点(位置22、23、24)、交叉斜杆中点(位置25、26、27)和交叉斜杆交点(位置28、29、30)随着位置向支座移动,能量逐渐增加,这与横梁与横肋的变化一致,原因相同。通过对桥梁3个平面可收集能量进行分析发现,对于横肋、横梁、横撑、交叉斜杆,可收集能量在支座处最大;对于下弦节点、中点,上弦节点、中点,斜杆中点,可收集能量在跨中处最大;桥面系尤其是横肋中心处,在列车过桥时加速度响应最为显著,适宜于布置能量收集装置。能量收集装置布置示意如图6所示,分别位于横肋中心或端部。



   桥梁健康监测系统的最小能量需求为0.2mw。,以列车追踪时间为5 min计算,健康监测系统在1趟列车经过时所需采集的能量为63 mJ。由于单个能量收集装置在列车经过时可收集到的电能不超过15.2 mJ,需要在同一位置并联多个装置才能满足需求。可收集能量方案对比如表4所示。



   考虑到经济性和实际布设时的空间限制,同一位置安装数量不宜超过5个,因此本文建议前3个方案作为该桥的能量收集方案。其压电悬臂梁基频与尺寸相同,基频为2.136 Hz,悬臂梁长度为5 cm,质量块质量为0.392 kg。

   4   结论

   本文将压电悬臂梁作为能量收集装置,针对某有砟轨道96 m简支钢桁梁桥,进行振动能量收集方案研究,得出如下主要结论:

   (1)桥梁不同位置处动力响应不同,功率谱密度变换下的加速度频谱存在明显差异,对应的压电悬臂梁的基频也不同,需要根据其振动特性设计压电悬臂梁的参数。

   (2)对于横肋、横梁、横撑、交叉斜杆,可收集能量在支座处最大;对于下弦节点、中点,上弦节点、中点,斜杆中点,可收集能量在跨中处最大;桥面系尤其是横        肋中心处,在列车过桥时加速度响应最为显著,适宜于布置能量收集装置。

   (3)针对桥面系所在平面,推荐了3种能量收集方案(均位于横肋中点),其可收集能量分别为76mJ、75 mJ、7l mJ,可以满足桥梁健康监测系统的最小能量需求。

                                                                 

免费打赏
内德维德
2023年02月24日 09:07:17
2楼

不错的资料,谢谢分享。。。。

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