中文摘要：

沥青路面在行车荷载作用下产生变形、振动等响应（称为广义机械振动）会损害路面，加大噪音。随着人们对生活环境质量要求的提高以及对新能源的渴求，利用压电换能器的机械能-电能转换不仅能减轻路面损害和噪音，还可为生产生活提供电能，据测算，1公里双车道道路每小时可提供高达0.5兆瓦的电能，潜能可观。由于技术保密，目前国外公开的资料十分有限，因此迫切需要我国研发这一核心技术。本项目围绕行车荷载作用下沥青路面机械振动的表达和沥青路面与压电换能器耦合作用这两个关键问题，通过学科交叉和联合，采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场测试等手段，探明行车荷载作用下沥青路面的力学响应和振动特征；综合能量表达的准确性和压电效应分析的边界条件，建立沥青路面机械振动表征模型和"路面-压电换能器"耦合作用模型；通过集成，测试分析实际工况下换能器的适应性和换能效率，从而为沥青路面能量收集用压电换能器材料和结构优化提供理论基础。

结论摘要：

沥青路面内广义机械振动产生的能量是一种绿色能源。利用压电换能器可将这种机械能转换成可应用的电能，同时还能减轻其对路面的损害。本项目对行车荷载作用下沥青路面结构振动特征和沥青路面与压电换能器耦合作用进行研究。 通过现场实测和室内实验，对行车荷载作用下不同路面结构在时域内的动态过程及振动频域进行了分析。建立了三维路面结构模型，对典型半刚性基层沥青路面结构的自振频率与主振型进行了分析，并结合现场实测和室内实验的数据验证了有限元模型的可靠性。以弹性层状体系理论和振动理论为基础，建立了沥青路面结构振动解析模型，得到了沥青路面结构的自振频率、位移计算公式，并对模型的可靠性进行了分析。结果表明不同沥青路面结构的自振频率一般在10-30Hz之间；有限元模型与二质量路面结构系统的误差较小，模型精度符合要求；通过单参数和双参数敏感性分析，得出面层、基层、垫层和路基的质量对沥青路面结构基频有一定影响，面层、基层、垫层的厚度和刚度对基频影响较小，路基模量和刚度对沥青路面结构的自振频率影响较大。 通过室内实验和有限元分析相结合的方法，获得了圆弧形及矩形桥式压电换能器在荷载作用下产生的电压值与破坏规律，以及两种换能器应力集中处水平最大拉应力及最大剪应力的变化趋势。为了提高能量收集能力，研发了叠柱式压电换能器。运用有限元模型对叠柱式压电换能器进行结构分析与设计。以集中应力与不协调变形为指标，确定了压电陶瓷柱的圆形截面，以及柱式方形压电换能器十六柱布置模式和柱圆形压电换能器二十一柱布置模式。对柱式压电换能器与沥青路面的刚度协同性进行分析，结果表明压电换能器的不协调变形随着顶板材料模量、顶板厚度的增大而减小；圆形顶板较方形而言所受的边缘集中应力更小；陶瓷柱截面面积为8cm2高度介于3cm到9cm时压电换能器的最小竖向变形与典型沥青路面基本一致。对十六柱式方形压电换能器和二十一柱圆形压电换能器的性能进行室内实验验证，结果表明顶板厚度为5mm的该类压电换能器在加载50万次后没有出现明显的变形，并能产生700V的电压，能量可观。在此基础上，进一步提出了适用于道路环境的的换能器布置方式、电路结构和储能方式，形成了路面能量收集原型系统一套。 本项目建立了沥青路面结构振动的表征模型，提出了沥青路面与压电换能器的耦合机理，并确定了柱式压电换能器，从而为沥青路面能量收集技术的研究奠定理论基础。