压电纤维复合材料有限元模拟及其试验研究

考虑压电纤维复合材料(MFC)压电陶瓷纤维层和指间交叉电极设计,假定压电陶瓷纤维极化方向相同,设置递进的电压边界条件,建立MFC均匀压电层等效有限元模型,借助ANSYS-APDL软件进行结构-压电耦合场仿真,模拟其工作的真实变形;同时进行自由应变和阻滞力的数值测试,数值上验证了有限元模型,修正纤维纵向压电应变常数d_(33)。对含有MFC驱动器的铝合金悬臂梁进行数值和试验研究,验证了该模型的准确性。与细观尺度上的MFC有限元模型相比,该有限元模型节约了计算成本,可应用于实际工程中。结果表明,MFC激励法用于振动特性分析时,操作简单,重复性好,信噪比高。     

MFC驱动的可变形机翼缩比模型主动变形研究

通过建立可变形机翼主动变形的仿真模型,分析压电纤维复合材料(MFC)驱动下的扭转变形,同时以地面实验作验证,研究了MFC在受电压载荷驱动下,对缩比模型主动变形产生的影响。结果表明,热弹性比拟法对可变形机翼在MFC驱动下的主动变形分析,是可行有效的;MFC的驱动效率和其与模型固定端的距离有关;同时,电压的加载方式和速度可进行自主化选择。     

碳纤维天线反射面的热变形仿真

碳纤维天线在大范围温变场将发生一定的变形,引起较大的天线波束指向误差,造成电性能下降,合理的铺层设计可以有效减少碳纤维天线热变形。应用ANSYS有限元分析技术,对各种铺层下的反射面在20～80℃范围内热变形进行了仿真分析,优选出合理的铺层方式;为了验证仿真结果,设计了一套测试装置。实验结果表明,仿真模拟结果与实验结果较为接近,误差为9．3％,从而探索出适合于工程应用的减少热变形的铺层设计方法,为高精度复合材料天线反射面的设计应用提供了依据。     

PZT-5H基压电纤维复合材料低频传感性能研究

随着地震勘探的深度越来越大，地震反射波不断向低频段发展，迫切要求开发低频传感器。该文设计制备了PZT-5H基压电纤维复合材料(MFC)悬臂梁式传感器，并将其应用于低频传感领域。通过有限元仿真模拟，力-电耦合分析探明了MFC悬臂梁结构中基板材料及结构尺寸参数对MFC电输出性能的影响规律，进而优化结构参数，研制了低频振动监测用MFC悬臂梁传感元件。对其传感性能进行了测试研究。测试结果表明，MFC悬臂梁可很好地感知低频振动加速度的变化，在低频段(5~190 Hz)时加速度灵敏度可达205 mV/g(g=9.8 m/s²)。     

压电驱动器性能的有限元分析

首先采用有限元法建立了双面粘贴压电元件的悬臂梁驱动装置的理论模型,并通过实验验证了理论分析的可行性。然后,利用有限元软件建模的方便性,计算分析了粘贴层和压电层性质(弹性性质和尺寸大小)对驱动器与结构材料之间变形传递关系的影响。     

复合材料层合板低速冲击损伤激光散斑干涉无损检测研究

复合材料层合板在外界激励下很容易产生层合板表面无法探测到的内部低速冲击损伤,从而引起材料失效甚至破坏。首先通过对低速冲击后的层合板进行目视检测获得了层合板受冲击后的若干损伤特征,然后利用数字散斑干涉测量技术(DSPI)对受到低速冲击的层合板在热载下进行内部低速冲击损伤检测。实验结果表明DSPI技术通过观察散斑干涉条纹的不规则分布即可准确、灵敏识别复合材料层合板表面难以观察到的内部低速冲击损伤,并且通过图像处理技术及相移技术可以准确评估内部低速冲击损伤对复合材料层合板的结构变形带来的影响。     

基于均一化模型的MFC悬臂梁静态变形分析

采用基于平面应力假设和二维周期性位移场假设的均一化模型分析了P1型粗压电纤维复合材料(MFC)致动器的宏观性质,研究了该模型对于MFC悬臂梁静态变形分析的适用性。ANSYS仿真结果表明,该模型适用于分析MFC悬臂梁静态变形,采用该均一化模型与不采用均一化模型相比,悬臂梁挠度的相对误差不超过5.77%,且该均一化模型中压电应力矩阵的e32分量对梁挠度的影响(e32效应)为次要因素。在采用该均一化模型的基础上进一步忽略其e32效应与原均一化模型相比,粱挠度的相对误差不超过1.36%。     

星载微带相控阵天线电气板结构优化设计

星载微带相控阵天线一般为大型复合材料平面阵结构，天线板初始设计时，热变形很大，不能满足电性能要求。本文通过分析，得出热变形大的原因是电气板中的多层铜箔层的热膨胀引起了天线板的弯曲。为此，文章提出了将电气板细分的优化设计方案，并分析比较了四分板和八分板两种优化设计方案。分析结果表明八分板的刚度和热变形均能满足要求，实际产品也验证了这个热稳定板结构设计方案的优越性。     

智能结构微位移测试及数值分析

对在压电陶瓷驱动下复合材料悬臂梁的静态变形及控制进行了试验研究.首先测试了复合材料基体和压电陶瓷片的材料常数;然后通过实验求得上下表面对称粘贴有分布式压电驱动器的复合材料悬臂梁静态位移与驱动电压间的非线性关系,所得结果与开发的4节点有限元计算结果相吻合.结果表明,利用压电陶瓷驱动器可对结构的微位移进行驱动,从而实现结构的精确定位.     

层合板激光往复扫描弯曲中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素,因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件,建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型,通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布,结合自由端的变形,分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明:随着往复扫描次数的增加,温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡,中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后,激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用,使翘曲变形增大,1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm,但随着扫描次数增加,促进作用减弱,弦高增长量略降低,最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果,温度场最大误差为9.85%,翘曲线Z向位移最大误差为4.33%,其中,弦高误差为2.16%,为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。     

基于MFC前馈补偿的抛物面天线型面控制方法

提出了一种采用压电纤维执行器(MFC)控制抛物面天线的方法。首先采用数值仿真进行MFC的控制特性评估,其次在抛物面天线表面搭载MFC,通过MFC的逆压电效应产生形变,带动抛物面天线变形,采用激光位移传感器实时监测抛物面天线位移,进而采用前馈控制补偿方式对MFC控制中的迟滞性进行调整,最后将仿真与试验结果进行比较,得到抛物面天线表面精度控制的要求。     

Fabrication of low-stress low-stiffness leveraged cantilever beam for bistable mechanism

This paper presents the fabrication and application of a leveraged cantilever beam with low-stress and low-stiffness. This cantilever beam is overhanged with two free ends and suspended in air by the supporting torsion flexures fixed at its middle. The teeterboard-typed cantilever features a low-stiffness with 1.63 N/m, and a low-stress with ±6.27 MPa. The cantilever beam was prepared by a laminated photoresist sacrificial layer process (LPSLP), that is, a multilayered photoresist film for supporting the suspended cantilever beams. In this work, two main problems related to microfabrication process were discussed. One is the control of residual stress in permalloy cantilever with varying the contents of additive saccharin to minimize the deformation of the free end of the beams. The other is an improved wet release method to avoid the adhesion or stiction of the all metal microstructures. The proposed leveraged cantilever beam has a potential application on the bistable switching mechanism in single-pole-double-through (SPDT) latching relay fields. Switching between two stable states of the microbeam mechanism was successfully validated with WYKO NT1100 optical profiling system.     

二维纳米材料磁性探测的双臂微悬臂梁设计

磁共振弱力探测技术能够对物质实现非破坏性的高精度结构信息探测,在物理、生物、医学等领域有着非常重要的应用。该技术中,超灵敏悬臂梁是实现弱力探测的核心组成之一。近年来,二维纳米材料由于其奇特的物理特性得到了越来越多的关注。为实现对二维纳米材料磁性的探测,基于单臂微悬臂梁模型,利用差动放大的方法,提出了双臂微悬臂梁的设计,并分析了双臂微悬臂梁中上下球形磁探针内外部的磁场分布,最后以单晶硅悬臂梁和钐钴合金磁球探针为例,对该悬臂梁进行数值模拟,发现该方案能够显著提高悬臂梁的探测灵敏度。     

一种双梁互补式光纤光栅位移传感器及在地铁隧道变形监测中的应用

本文提出了一种双梁互补式光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)位移传感器,实现了正负双向位移的测量。采用双“悬臂梁+楔形滑块”的结构,当一个悬臂梁受位移作用处于变形状态时,另一个悬臂梁不变形并提供温度补偿功能。传感器处于零值测点状态时,两个悬臂梁处于零弯曲状态,且双梁互为温度补偿,消除了温度影响。通过性能测试实验证明,该传感器在±50的量程内,灵敏度为29.369 pm/mm,测量重复性好。制备出8个传感器应用于某市地铁的变形安全监测,从道床沉降、道床环缝、管片环缝3个方面开展了变形测量。在长期监测期间,传感器工作稳定,被测结构变形状态稳定,表明该传感器具有良好的测量性能,适用于长期的结构健康监测。     

某星载SAR天线阵面的游离设计与验证

星载SAR在轨展开后天线阵面平面度影响其电性能,其中,热变形是影响阵面平面度的一个重要因素。基于某卫星大口径、长时间工作、高精度天线系统的结构设计要求,提出了天线阵面的游离设计,运用数值仿真方法分析游离设计安装时热变形对天线阵面平面度的影响,并进一步采用非接触式双相机摄影测量系统开展热变形试验。结果表明,天线阵面热变形仿真与试验数据的一致性较好,采用游离设计可有效降低天线阵面的热变形,满足卫星天线系统的结构设计要求。     

基于超材料结构的悬臂梁水听器设计

悬臂梁水听器可在谐振频段接收低频水声信号,相比传统水听器,其不仅能提升灵敏度,还可获得更优越的探测性能,在海洋工程领域具有广阔的应用前景。该文基于声学超材料设计了一种新的悬臂梁水听器,研究了声学超材料的负等效原理及材料参数对谐振频率的影响,获得了降低悬臂梁水听器谐振频率的方法。在此基础上分析了单纯铜梁、三层铜-橡胶梁、五层铜-橡胶梁的一阶固有频率,并结合实际使用需求选用三层复合结构完成超材料悬臂梁水听器的设计。仿真分析结果表明,在相同尺寸情况下,该文设计的水听器比传统悬臂梁水听器具有更低的谐振频率。