汽车尾气发电系统中热电器件的模态分析和振动特性研究外文翻译资料

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汽车尾气发电系统中热电器件的模态分析和振动特性研究

简介：

热电（TE）材料和器件是车辆排气动力产生系统的重要组成部分。道路和发动机，TE模块的主要振动源，对TE器件的振动特性有重大影响。在这项工作中，详细研究了模块分析和热电材料的振动特性。在热电材料及其服务环境的基础上，采用有限元法进行模态分析仿真，得到热电材料的固有频率和模态形状。数值结果用于比较不同接触刚度下的热电材料的固有频率与道路和发动机的激励频率的范围，以试图防止严重的共振。还详细讨论了热电材料的几何尺寸，使用温度和热应力的振动特性的影响。结果揭示了热电材料的振动特性，为车辆排气发电系统的结构优化提供了理论指导。

介绍：

热电发电机（TEG）可以直接将热能转换成电能。 由于其众所周知的优点，例如没有移动部件，高稳定性和可靠性，以及长的操作寿命，这些环境友好的设备已经引起了全世界对于电子冷却，废热回收和作为特殊应用的的兴趣 ，在汽车废气回收废热方面，特别是TEG具有很大的潜力和商业应用前景。

随着半导体技术的快速发展和日益严重的能源危机，许多关于热电的文献集中在如何提高TEG的性能。Niu et al. 研究了热和冷流体入口温度（Tfh，Tfc）和流速（Gfh，Gfc）对基于Bi2Te3的TE模块的性能的影响， 当Tfh（热流体入口温度） = 423K和Tfc （冷流体入口温度）= 303K时，最大输出功率为146.5W，转换效率为4.4％。Choi et al.制造了具有CoSb 3 / Ti /电极的TE耦合接口。 最大测量输出功率为796mW，热侧的温度为871K。在这些研究中进行的合理分析用于提高TEG的热电性能的设计。当然还对TEG的机械性能进行了研究。Al-Merbati et al研究了TE耦合的热应力分布， 检查了热电腿的几何结构对热效率和热应力的影响。 他们的结果表明，TEG的预期寿命可以通过热电腿的正确几何设计来改善。Turenne et al使用有限元方法模拟TE模块的稳态操作，获得TE模块的热应力分布，并且观察到在位于四个角的腿处发生最大热应力。这些研究揭示了发电机在其运行期间的机械性能和热应力的重要性优化设计，这两者都有助于维持TEG在服务期间的安全性和可靠性。虽然这项工作涉及TEG的详细静态分析，但几乎没有关于TEG的振动特性的研究。

在本文的讨论中，基于方程式的TEG用于车辆排气管，其受到道路和发动机振动的严重影响，这些振动直接影响与热交换器，TE模块和冷却箱的接触，这可能会导致TE模块发生严重的共振。在这项工作中，TE模块的模态分析是通过有限元方法，在不同的接触刚度条件下研究其振动特性。由于TE模块的使用温度高，考虑了高温对材料性能和热应力的影响。热电腿的长度L和宽度W以及陶瓷板的厚度H被选择为可变几何尺寸，并且讨论它们对TE模块的振动特性的影响。本研究的目的是研究TE模块的振动特性，为进一步优化设计提供理论依据。

分析模型和方法：

热电器件的有限元模型：

如图1所示，车辆排气系统中使用的TE装置是热交换器，TE模块和冷却水箱，它们是交替堆叠并由夹紧装置固定的。TE模块的热侧被放置在热交换器的上表面和下表面上，并且冷侧保持与冷却水箱紧密接触以实现良好的热交换。 图2显示了基于方钴矿的TE模块的有限元模型，40-40-16.5 mm 的TE模块包含了49个TE耦合。 TE腿的正方形横截面的宽度为3mm，长度为15mm。 每条腿用焊接层焊接到Mo-Cu电极，并分开1.0mm的距离。陶瓷板，Mo-Cu电极和焊接层的厚度分别为0.4mm，0.25mm和0.1mm。

TE模块的使用温度高（380-773K），高温将导致材料性能的变化，特别是一些机械性能，如杨氏模量（E）和热膨胀系数（CTE）。TE模块的不同组件的CTE不匹配将导致热应力。 这将影响TE模块的振动特性。 因此，在模拟过程中必须考虑材料的温度相关特性和热应力。 材料的相应性质列于表1。

图1. TE器件结构示意图。 图2. TE模块的有限元模型。

表1：TE模块材料的性能（300-800K）

模态分析理论：

通过使用有限元方法研究了多自由度（MDOF）系统的振动特性。 模态分析的最终目的是确定系统模态变量，为振动故障诊断和结构动态特性设计的优化提供基础。 MDOF振动系统的微分运动方程被描述为：

（1）

其中[M]，[C]和[K]分别是质量矩阵，阻尼矩阵和刚度矩阵， 是加速度向量，速度矢量和位移矢量。

在本文讨论的工作中，进行了TE模块的自由模态分析。 固有频率和模态形状被选作变量来描述自然振动特性。 结构阻尼对固有频率和模态形状的影响非常小，并且在自由模态分析中通常被忽略。 因此采用无阻尼自由振动系统，等式（1）可以简化为：

(2)

描述为：

（3）

其中是固有频率，是对应的字符向量，它们都用于描述模式形状。根据等式（3），等式（2）可以进一步简化为：

(4)

其中是等式(4)的特征值，并且固有频率和模式形状可以通过求解式 （4）获得。

结果与讨论：

夹紧装置的接触刚度对振动特性的影响：

在本研究中，TE模块的模态分析使用ANSYS软件和Lanczos方法进行， TE模块的单元类型使用Solid95。TE模块放置在冷却水箱和热交换器之间，并且都被夹紧装置约束。 在模拟过程中，夹紧装置通过使用Combin14单元被简化为一系列弹簧，并且夹紧装置的接触刚度K通过弹簧的刚性来模拟。 当接触刚度K = 0时，TE模块的两个接触表面被认为是自由端。 当接触刚度Kgt; 0时，TE模块的两个接触表面被约束，并且约束条件随着接触刚度K的增加而增强。当接触刚度K趋于无穷时，TE模块的两个接触表面被认为是固定端。这个有限元模型是一个理想的模型，这有助于讨论不同接触刚度K对固有频率的影响。 如图3所示，TE模型的上表面和下表面分别受到121个弹簧的约束。 每个弹簧的一端连接到陶瓷板，并且另一端的自由度（DOF）都被限制为零。 获得具有不同接触刚度的TE模块的固有频率; 结果列于表二。

图3. 弹簧模态分析的有限元模型

表二 接触刚度K对固有频率的影响

在实际操作中，车辆排气发电系统中存在两种主要的振动源：道路和发动机激励。 基本的发动机振动频率由下式给出：

（5）

其中Z，n和分别是发动机汽缸的数量，发动机转速和活塞冲程的数量。 在本研究中，采用四缸四冲程汽油发动机。 因此，发动机转速范围为200-6000r / min，Z = 4，s = 4。可以获得发动机振动频率f; 该值在6.6Hz和200Hz之间。

道路激励是低频问题，其通常归因于轮胎结构的振动（lt;200Hz）。

在表II中，随着夹紧装置的接触刚度K从121N / m增加到N / m，第一，第二和第三模式的固有频率显著增加，但是第四第五模式略有增加。夹紧装置接触刚度K的增加，增强了TE模块的约束条件，并且有助于TE模块的固有频率的增加。当接触刚度K接近零时，存在零频率的六种模式：三种旋转模式和三种平移模式。这些模式也称为刚体模式。在分析过程中，通过将模态分析的初始频率值设置为1Hz，过滤出刚体模式。 在表II中，固有频率最初随着接触刚度K的增加而迅速增加，当接触刚度K达到N / m时，固有频率的增长减慢。将固有频率的结果与道路和发动机的激励频率范围进行比较，可以发现当接触刚度K为 N / m时，第一模式的相应固有频率为203 Hz， 这高于危险的共振频率，并且将避免严重的共振现象。 该结果为夹紧装置的设计提供了指导。

TE模块几何尺寸对振动特性的影响：

为了分析TE模块的不同几何尺寸的振动特性的变化，TE腿的长度L和宽度W以及陶瓷板的厚度H被选择为可变几何 尺寸来讨论它们对固有频率的影响。 进行灵敏度分析以判断几何尺寸的影响程度。系统响应u和自变量x之间的关系被描述为：

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