شماره ركورد
34993
پديد آورنده
بهاره صياد
عنوان
طراحي و شبيهسازي برداشتكننده انرژي با الگوهاي گرادياني جهت نصب بر روي سرمحور واگن باري
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي ماشين هاي ريلي
سال تحصيل
1403
تاريخ دفاع
1405/02/20
استاد راهنما
دكتر داود يونسيان
استاد مشاور
ندارد
دانشكده
راه آهن
چكيده
در سالهاي اخير، توسعه سامانههاي پايش وضعيت چرخ و محور واگنهاي باري به منظور افزايش ايمني، كاهش هزينههاي تعمير و نگهداري و جلوگيري از بروز خرابيهاي ناگهاني، اهميت فزايندهاي يافته است. يكي از چالشهاي اساسي در بهكارگيري حسگرهاي پايش وضعيت بر روي محور واگن، تأمين پايدار و خودكفاي انرژي الكتريكي مورد نياز آنها بدون اتكا به باتريها يا سيمكشي پيچيده است. در اين راستا، استفاده از سامانههاي برداشت انرژي ارتعاشي مبتني بر مبدلهاي پيزوالكتريك، به عنوان راهكاري كارآمد و با قابليت اطمينان بالا مطرح شده است. با اين حال، توان الكتريكي خروجي اغلب اين برداشتكنندهها براي تغذيه مداوم شبكهاي از حسگرها كافي نبوده و افزايش توان خروجي به يك نياز كليدي تبديل شده است.
يكي از رويكردهاي نوين براي ارتقاي كارايي برداشتكنندههاي انرژي، بهرهگيري از ساختارهاي آگزتيك با نسبت پواسون منفي است كه ميتوانند با تمركز و تقويت كرنش در نواحي حاوي لايه پيزوالكتريك، منجر به افزايش قابل ملاحظه توان خروجي شوند. در اين پاياننامه، ابتدا يك برداشتكننده انرژي پيزوالكتريك ساده و يك برداشتكننده آگزتيك موجود در ادبيات، از نظر پاسخ فركانسي و خروجي توان، بر اساس نتايج مقالات مرجع مدلسازي و مورد صحهگذاري قرار گرفتهاند تا دقت مدل عددي و روش تحليل تضمين گردد. در ادامه، مجموعهاي از ساختارهاي آگزتيك يكنواخت و گرادياني از نوع ري اينترنت، كايرال و ضدكايرال براي استفاده در برداشتكنندههاي انرژي پيزوالكتريك طراحي و مدلسازي شدهاند.
در ساختارهاي رياينترنت، گراديان هندسي از طريق تغيير ضخامت ستونها، زاويه واحدهاي سلولي و تركيب مناسب اين دو پارامتر اعمال شده است. در ساختارهاي كايرال و ضدكايرال، گراديان هندسي بهترتيب بر پايه تغيير ضخامت ستونها و نسبت l/r، در راستاي طولي ساختار پيادهسازي شده است. براي تمامي توپولوژيهاي يكنواخت و گرادياني، مطالعات پارامتري به منظور بررسي تأثير پارامترهاي هندسي بر توان الكتريكي خروجي، انجام شده است. سپس با استفاده از روشهاي بهينهسازي مناسب، مقادير بهينه پارامترهاي هندسي براي بيشينهسازي توان برداشتشده استخراج گرديده است.
نتايج حاصل نشان ميدهد كه استفاده از ساختارهاي آگزتيك بهويژه پيكربنديهاي گرادياني ميتواند افزايش قابل توجهي در توان خروجي برداشتكننده نسبت به ساختار ساده مرسوم ايجاد نمايد؛ بهگونهاي كه براي هر يك از طبقات ساختاري (رياينترنت، كايرال و ضدكايرال)، ميزان افزايش توان خروجي ساختار گرادياني بهترتيب 6/7، 4/1 و96/1 برابر حالت ساده استخراج و گزارش شده است. در گام نهايي، با توجه به فركانسهاي غالب ارتعاشي در محل نصب روي سرمحور، طراحي برداشتكنندههاي بهينه بازتنظيم شده و تغييرات لازم در طول مؤثر ساختار و جرم انتهايي بهمنظور تطبيق فركانس تشديد و حداكثرسازي توان در فركانس كاري واقعي اعمال گرديده است. مجموعه نتايج اين پاياننامه نشان ميدهد كه تركيب هوشمندانه ساختارهاي آگزتيك گرادياني با مبدلهاي پيزوالكتريك، راهكاري عملي و كارآمد براي تأمين انرژي سامانههاي پايش وضعيت چرخ و محور واگنهاي باري فراهم ميسازد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/27
عنوان به انگليسي
Design and Simulation of a Gradient-Patterned Energy Harvester for Mounting on a Freight Wagon Axle
تاريخ بهره برداري
6/16/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
بهاره صياد
چكيده به لاتين
In recent years, the development of condition monitoring systems for freight wagon wheelsets has received increasing attention to improve operational safety, reduce maintenance costs, and prevent unexpected failures. One of the main challenges in implementing such monitoring systems on the axle is providing a reliable and continuous power source without relying on batteries or complex wiring. In this regard, vibration-based piezoelectric energy harvesting has emerged as a promising solution. However, the electrical power generated by conventional harvesters is often insufficient to continuously supply multiple sensors, making the enhancement of power output an important research objective.
One effective approach to improving the performance of piezoelectric energy harvesters is the use of auxetic structures with a negative Poisson’s ratio. Due to their unique deformation mechanism, these structures can significantly increase strain in regions integrated with piezoelectric layers and consequently enhance the generated electrical power. In this study, a conventional piezoelectric energy harvester and an auxetic harvester reported in the literature were first modeled and validated to ensure the accuracy of the numerical modeling and analysis procedure. Subsequently, several uniform and functionally graded auxetic configurations, including re-entrant, chiral, and anti-chiral structures, were designed, and investigated for vibration energy harvesting applications.
In the re-entrant structures, geometric grading was introduced by varying the strut thickness, the unit-cell angle, and suitable combinations of these parameters. For the chiral and anti-chiral configurations, the geometric gradient was implemented along the longitudinal direction by modifying the strut thickness and the l/r ratio, respectively. A comprehensive parametric study was carried out for all uniform and graded structures to evaluate the influence of geometric parameters on the harvested electrical power. Based on these analyses, optimal geometric configurations were determined using appropriate optimization procedures to maximize the generated power.
The results indicate that auxetic configurations, particularly functionally graded designs, can significantly improve the performance of piezoelectric energy harvesters compared with conventional simple structures. The graded re-entrant, chiral, and anti-chiral harvesters produce electrical power outputs 7.6 fold, 1.4 fold, and 1.96 fold higher than those of the simple structure, respectively. Finally, considering the dominant vibration frequencies at the axle-end installation location, the optimized harvesters were retuned by adjusting the effective beam length and the tip mass so that the resonance frequency matches the operational vibration range, thereby maximizing the harvested energy. The findings demonstrate that integrating graded auxetic structures with piezoelectric transducers can provide an efficient and practical solution for powering condition monitoring systems in freight railway axle box.
كليدواژه هاي فارسي
ساختارهاي آگزتيك , برداشتكننده انرژي پيزوالكتريك , الگوهاي گرادياني , روش سطح پاسخ
كليدواژه هاي لاتين
Auxetic structures , Piezoelectric energy harvester , Functionally graded metamaterials , Response surface methodology (RSM)
Author
Bahareh Sayyad
SuperVisor
Dr. Davood Younesian