摘 要

汽车在行驶过程中，燃油产生的能量大约有40%在汽车尾气中，并散发在大气中。这不仅降低了汽车的燃油经济性，浪费石油资源，更重要的是对全球环境造成污染。车用热电器件利用热电发电技术将废气中的热能直接转化为电能，从而显著提高了汽车的能量利用率。本文利用ANSYS有限元软件，建立车用热电器件的有限元模型，对其进行自由模态分析及约束模态分析。本文还讨论了热电器件与夹紧装置间夹紧力对热电器件振动特性的影响，分析得出的结果可为热电器件的设计及优化提供一定的理论指导。

研究结果表明：不同约束条件对车用热电器件固有频率的影响较大；为了更好的模拟热电器件的实际情况，将夹紧装置简化为弹簧约束，接触刚度模拟为弹簧刚度。综合考虑汽车行驶时受到的激励，研究得到了接触刚度对热电器件振动特性的影响规律，并且得出了热电器件发生危险共振现象的临界频率值。

关键词：车用热电器件；有限元法；接触刚度；模态分析;

Abstract

In the course of the automobile, the energy produced by the fuel is about 40% in the automobile tail gas, and is distributed in the atmosphere. This not only reduces the fuel economy of the car and the waste of oil resources, more important is the pollution of the global environment. Thermoelectric(TE) devices uses thermoelectric power generation technology to directly convert heat energy into electrical energy, which significantly increases the energy efficiency of the car. In this paper, by using ANSYS finite element software, do the free modal and constrained modal analysis. This paper also discusses the influence of TE device and clamping device for clamping force on the vibration characteristics of TE devices, analysis results can provide some theoretical guidance for the design and optimization of the TE device.

The results are shown as follows: The influence of different constraint conditions on the natural frequency of TE devices is great; In order to better simulate the actual situation of TE devices, the clamping device is simplified as spring constraint, and the contact stiffness is simulated as spring stiffness. Considering the road excitation and engine excitation, the influence law of contact stiffness on the vibration characteristics of thermoelectric devices is studied, and the critical frequency of the occurrence of dangerous resonance phenomenon is obtained.

Key Words：TE device for vehicle; finite element method; contact stiffness; modal analysis

目录

第1章绪论 1

1.1研究的背景及意义 1

1.2车用热电器件的国内外研究现状 2

1.3本文主要研究内容 3

第2章热电器件的发电原理 4

2.1三种基本热电效应 4

2.2热电发电技术原理 6

2.3本章小结 8

第3章车用热电器件的模态分析 9

3.1模态分析理论 9

3.2模态分析的基本步骤 9

3.3热电器件的有限元模型 10

3.4模态分析数据结果 11

3.5本章小结 15

第4章热电器件与夹紧装置间的夹紧力对热电器件振动特性的影响 16

4.1热电器件与夹紧装置间夹紧力的有限元模拟 16

4.2ANSYS有限元模型 16

4.3结果讨论 17

4.4本章小结 21

第5章总结与展望 22

5.1全文总结 22

5.2展望 22

致谢 23

参考文献 24

第1章绪论

1.1研究的背景及意义

能源是人类活动的物质基础。进入21世纪以后，随着人口的增长和全球经济的飞速发展，汽车行业得到了空前的发展，而汽车主要消耗的是石油能源。煤炭和石油是我国的主要能源，但它们是不可再生能源，尤其是近年来我国对石油的需求每年都在增长。当化石资源一旦枯竭，将对我国的经济发展甚至是人类的生存发展都造成难以估量的打击。

相关的研究发现^[1]，汽车燃油产生的能量主要分为四部分。其中冷却系统带走的约30%的能量，内燃机摩擦损失了约5%的能量，汽车尾气带走了约40%的能量，只有大约25%的能量作为了汽车的驱动能量，因此汽车的能量利用率很低。其次，大量石油燃烧所产生的废气对全球环境造成了极大的伤害。所以提高汽车的能量利用率和寻找开发高效清洁的新能源，是我国甚至是全世界研究工作的重点，这样可以节约石油资源，减少温室气体及有害气体的排放，对地球环境和社会的发展有着重要的意义。

随着材料科学研究的发展，科学家发现了一些性能较好的热电转换材料，这促进了热电发电技术的发展。热电发电技术又叫做温差发电技术，是一种绿色的发电技术^[2]。热电发电技术是利用热电材料塞贝克效应，将热能直接转化为电能的一项技术，通过利用热电发电技术可以将汽车尾气中的废热转化为电能为汽车电力系统提供能源，这对直接提高汽车能量利用率有着十分重要的意义。。利用热电发电技术的发电方法具有结构简单紧凑、可靠性高、无运动部件等优点，发展前景十分广阔。

虽然热电发电技术的发展前景是十分广阔的，但随着人们对这项技术逐渐深入的研究，发现了许多需要解决的问题。与其他种类的电源相比较，热电发电技术的发电效率是非常低的，这是制约热电发电技术发展的主要因素^[3]。为了解决热电发电技术研究中发现的问题，我们需要以汽车尾气发电系统整体为研究对象来进行研究分析。所以，以完整的汽车尾气发电系统的有限元模型进行性能的研究和结构设计的优化是具有非常重要意义的，可以很好的促进汽车尾气发电系统的发展。