平板型热电器件振动特性的数值模拟研究开题报告

全文总字数：5008字

1. 研究目的与意义（文献综述）

热电发电技术由于其不可替代的灵活性、多样性、可靠性等优势和特点，现已成为支撑诸多现代产业的关键技术，如今在汽车领域中热电技术的发展也十分迅猛。汽车热电发电系统可以在一定程度上吸收废气中的余热，用于汽车的驱动，既减少了热量的排放，又对节约能源做出了贡献。在提倡保护环境和节约能源的今天，汽车发电技术将有十分广阔的商业前景。

热电器件是热电发电系统中的关键部件，热电器件的优劣将决定整个系统的效率高低，热电器件的振动特性对其转换效率有很大影响。在汽车热电发电系统中，平板型热电器件铺放在废气箱和冷却水箱之间，热端通过废气箱吸收热能，冷端与冷却水箱接触进行对流换热，夹紧装置固定三者以保证良好的接触和工作效率。夹紧装置将三者连接成一个整体，在受到外界干扰时会产生不同程度的振动，形成一个振动系统。在汽车实际行驶过程中，发动机与排气系统直接相连，来自发动机的机械振动会传递到热电系统中，来自路面的随机激励也会通过轮胎和车体传到热电系统，这些振动会对热电器件的工作效率产生影响，甚至产生共振现象损坏器件。因此，利用模态分析讨论热电器件的振动特性，为热电系统的结构设计优化提供依据是很有必要的。

汽车热电系统的研究，在国内外一直都属于热门领域。在美国，福特公司设计了一种可嵌入到汽车排气系统的热电发电结构，基于仿真分析技术研究该模型能量流动后表明，在城市工况下发电系统的功率可达八十到一百瓦；在高速工况下，该系统的功率则能达到三百至四百瓦。美国gm汽车公司设计制造了一种平板式温差发电系统，基于热交换器的温度梯度分布特点，布置了高 温、中低温三种热电器件，并且加入惰性气体防止材料老化，实现了控制系统温度的功能，防止热端超过极限温度值。在日本，komatsu公司研究中心设计了一款汽车尾气发电机，其上装配有8块热电器件，每个器件由420对热电元件组成。当冷热端温差为 323 ℃时，这款发电机的最大输出功率为 59 w，单片热电器件模块的热电转换效率可达5.6 %。国内方面，汽车热电发电技术还属于较新内容，部分高校对其有一定研究。清华大学基于温差发电理论搭建了测试平台， 研究了热电器件转换效率与热端温度、负载之间的规律，并以此理论对东风 eq140-1 货车样车进行了匹配性经济分析。武汉理工大学研究团队提出的融合消声功能和尾气净化功能的一体化车载热电发电装置，在兼顾车载系统原有功能情况下融合了消声功能和尾气催化功能。该装置可充分利用催化载体进行氧化还原反应所放出的热量，结合汽车尾气自身所含热量，供热给热电器件进行热电转换。可以看出，国内外关于热电系统的研究大多集中在器件的制造方面。但是汽车在行驶中的工作环境复杂多变，因此对车载装置和器件进行振动分析为其结构设计提供优化是很重要的。国内外关于汽车振动特性的研究都有不少成果。例如，stefandietz和sebastian stichel等人对某货车车架进行了随机振动疲劳分析，详细研究了路面动态载荷的求解方法，为准确进行车架的随机振动分析和疲劳寿命预测打下了良好的基础。oliveira 等人针对某一越野车车架分别进行了模态有限元分析和模态试验，并且通过适当改变车架结构，对比了车架改变前后模态属性的变化，为后期车架的动力学设计提供了依据。在国内方面，张硕，龙海洋等人研究了某电动汽车在路面激励下的振动响应，通过matlab获得路面的激励谱，然后结合workbench对车架进行了随机振动分析，根据分析结果来改进车架结构。陈萍，席桂东和齐丽婷基于lms test.lab对某卡车车架进行了模态试验，通过测试数据得到了车架的固有频率和模态振型，为车架的振动分析和优化设计提供了依据。不难看出，在车载器件的设计优化过程中，器件的振动特性研究是十分重要的。

2. 研究的基本内容与方案

研究目标

本文将利用有限元分析技术，综合考虑路面及发动机的振动激励，对车用平板型热电器件进行模态分析，得出其固有频率和振型，讨论器件的工作环境对其振动特性的影响。结合模态分析结果进行随机振动分析，确定热电器件的变形与应力大小。综合上述结果从而为热电系统的整体结构优化提供依据。

3. 研究计划与安排

1. 第1-2周：查阅国内外文献，了解平板型热电器件振动特性的研究现状；翻译英文文献。

2. 第3周：根据查阅的国内外文献，完成开题报告。

3.第4-5周： 学习与研究内容相关的理论知识，熟悉ansys的功能，学会建立有限元分析模型。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]f. jiao, a. naderi, d. zhao, et al. ionic thermoelectric paper [j]. journal of materials chemistrya, 2017, 5(23): 16883-16888.

[2]j .w. zeng, x. he, s. j. liang, et al. experimental identification of critical condition drastically enhancing thermoelectric power factor of two-dimensional layered materials [j].nano letters, 2018, 18(12): 7538-7545.

[3] m. hong, z. g. chen, l. yang, et al. enhancing thermoelectric performance of bi2te3-based nanostructures through rational structure design [j]. nanoscale, 2016, 8: 8681-8686.