摘 要

近年来国民经济快速发展，汽车保有量持续提升，中国面临能源和空气污染问题日趋严重，如何提高汽车燃油的实际利用率、减少排放对我国经济可持续发展具有重要意义。汽车尾气温差发电技术作为一种新型能源技术受到了世界各国的极大重视，国内外众多学者对其进行了大量的研究。

本文以汽车尾气平板式温差发电系统为研究对象，采用ANSYS Workbench有限元分析软件，开展热电发电系统的模态分析，获得了热电发电系统的固有频率和振型，比较了固有频率与发动机的激励频率和路面激励频率，为避免共振设计提供指导；开展了在一种路面随机激励荷载作用下的随机振动分析，讨论了激振频率、冷却水箱的安装方式对热电发电系统振动特性的影响，获得了发电系统速度、位移和应力的概率分布情况，为研究其综合动力性能奠定基础。

关键词：热电发电系统，温差发电，模态分析，随机振动分析

Abstract

In recent years, the rapid development of the national economy, car ownership continued to improve, China is facing increasing energy and air pollution problems, how to improve the actual utilization of vehicle fuel, reduce emissions on China's economic sustainable development is of great significance. Automobile exhaust gas temperature power generation technology as a new energy technology has been the world's great attention, many scholars at home and abroad have carried out a lot of research.

In this paper, ANSYS Workbench finite element analysis software is used to carry out the modal analysis of the thermoelectric power generation system. The natural frequency and vibration mode of the thermoelectric power generation system are obtained, and the natural frequency and the excitation of the engine are compared. Frequency and pavement excitation frequency, in order to avoid the resonance design to provide guidance; carried out in a random load on the road under the random vibration analysis, discussed the excitation frequency, cooling water tank installation method on the thermoelectric power generation system vibration characteristics, The probability distribution of the speed, displacement and stress of the power generation system, and lay the foundation for the study of its comprehensive dynamic performance.

Keywords: thermoelectric power generation system, thermoelectric power generation, modal analysis, random vibration analysis.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 温差发电技术的国内外研究现状 1

1.3 汽车热电器件研究中存在的问题 2

1.4 本文研究的主要内容 3

第2章 热电装置的组成及模型的建立 4

2.1 热电装置的主要组成 4

2.2 ANSYS Workbench介绍 5

2.2.1 ANSYS Workbench简介 5

2.2.2 分析的基本过程 5

2.3 有限元模型的建立 6

2.3.1 实体模型的建立 6

2.3.2 模型的简化 7

2.3.3 材料参数的确定 7

2.3.4 网格划分及约束的添加 8

2.4 本章小结 9

第3章 热电发电系统的模态分析 10

3.1模态分析简介 10

3.2 模态分析理论 10

3.3 水箱有水情况热电发电装置模态分析 11

3.3.1 整体式水箱模态分析结果 12

3.3.2 条列式水箱模态分析结果 15

3.4 水箱无水情况热电发电装置模态分析 19

3.4.1 整体式水箱模态分析结果 19

3.4.2 条列式水箱模态分析结果 19

3.5 本章小结 20

第4章 热电发电系统的随机振动分析 21

4.1 引言 21

4.2 水箱有水情况随机振动分析 22

4.2.1 位移响应分析 22

4.2.2 速度响应分析 23

4.2.3 加速度响应分析 24

4.2.4 等效应力响应分析 25

4.3 水箱无水情况随机振动分析 26

4.4 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对汽车这种交通工具的需求量也急剧增加。与之而来的是汽车尾气的大量排放。近年来，我国环境问题越来越糟糕，人民的健康也受到严重影响。汽车尾气是造成空气污染的主要原因之一，含有许多有害东西，包括CO、氮氧化物等，很多大城市的PM2.5也是汽车尾气造成的，可以说现在汽车问题非常严峻，尾气对国民的伤害太大^[2]。

另一方面，我国能源问题日益突出，石油作为能源的代表，其储量少，人均占有量更是远低于世界平均水平。又因为汽车保有量的提高，所以我国对能源的需求依存度每年都在提高，又因为我国经济发展，石油消耗越来越大，能源价格一直在上涨，既冲击了国民经济的健康发展，也影响着经济社会的可持续发展^[3]。但是传统汽车的燃油能量却只有约30%转化为机械能，其余都已尾气的形式排放到空气中，造成了巨大的能源浪费。

若利用热电转换技术将汽车尾气转化为电能供汽车利用，则对提高能源利用率，改善我国当前的大气环境，都具有十分重要的意义。

1.2 温差发电技术的国内外研究现状

材料的热电现象早期是由德国的科学家Seebeck发现的，1820年代初期，Seebeck利用试验的方法研究了热与电流的关系，20世纪初，德国科学家 Alteninech第一次将热电理论相对完整的提出来，热电材料既要要具备比较大的赛贝尔系数α，而且还要有高的电导率与低的热导率 。早在20世纪初，就有学者提出将热电材料应用于温差发电，但是在半导体热电材料出现以后，温差发电技术才开始真正应用起 来。早期的热电发电技术主要应用于航空产业，NASA在其数十个航天器上使用了温差发电技术。上世纪50年代，由于人们对制冷技术的急切需要，热电材料被重视并快速发展，70年代，氟利昂制冷引起了科学家的兴趣，热电材料被冷落，到90年代，人们发现氟利昂对地球臭氧层具有破坏作用，热电材料才重新引起了科学家的兴趣。目前，美国倾向于将热电材料应用于航空航天等高科技产业，而日本将热电材料应用于废热回收并进行温差发电方面领先世界，相对来说，欧盟则对热电材料应用于小功率电器方面比较有兴趣^[4]。