压电微喷驱动振子振动的理论分析

压电驱动振子是由压电材料层和单晶硅层复合而成.以压电微喷驱动振子为研究对象,根据压电本构方程和弹性薄板弯曲理论,应用能量法对其进行了理论分析,建立了周边固支条件下压电驱动振子振动的理论模型,推导求解了驱动振子一阶固有频率及位移函数,MATLAB编程计算结果与ANSYS软件仿真结果误差为6.6%,表明了二者的一致性.分析了激励电压及压电驱动振子结构参数对轴向振动位移的影响,研究结果可为压电微喷液滴发生器的设计及控制提供理论依据.     

压电驱动膜片的弯曲振动仿真

基于压电本构方程,建立了压电弹性复合驱动膜的机电耦合模型,利用ANSYS软件对压电复合膜进行了静态及一阶模态分析,对比分析了空心与实心PZT复合膜片的驱动能力,分别讨论了复合膜厚度、压电膜与弹性膜直径比等结构参数对膜片振动挠度的影响,获得了压电层与弹性层最佳粘贴比.     

膈膜式传感器微压电复合薄板的模态分析

为了分析柔性谐振膈膜式微传感器在设计中的微压电复合薄板模态问题,采用近似理论方法与有限元法分别对方形压电复合薄板的模态进行了分析.推导出压电层和支撑层的势能与动能表达式,给出利用瑞利法求解一阶频率的过程.借助微系统设计开发与仿真软件,依据器件加工工艺,建立了器件三维模型.使用软件的有限元分析功能,对其进行了网格划分和模态分析,给出了一阶和二阶模态振型及模态频率.通过对仿真结果的讨论,为传感器的设计提供了借鉴.     

复合梯形压电悬臂梁能量收集器的特性研究

为了拓宽压电能量收集器的工作频带宽度并改善低幅值激励频率条件下的能量收集效率,本文将梯形悬臂梁应用到多悬臂梁压电能量收集器结构设计当中。依据梯形悬臂梁的尺寸及末端附加质量,通过双压电晶片与弹性基梁的等效化处理,计算和推导了系统的共振频率和传递函数,从而建立单梯形悬臂梁横向振动的数学模型,在此基础上分析推导了复合梯形压电能量收集系统模型。研究结果表明:复合梯形悬臂梁结构有效地拓宽了工作频带,更容易实现与环境振动频率的匹配共振从而提高发电效率。本文研究为优化多悬臂梁能量收集器的设计和应用具有重要的借鉴意义。     

施工阶段大跨径预应力混凝土刚构桥腹板开裂机理

进行了大跨径预应力混凝土刚构桥腹板开裂机理研究,基于弹性力学平面问题分析方法,推导了集中荷载作用下的板件应力函数表达式,绘制了不同受压边长与集中荷载长度比（d/a）下的横向应力曲线,拟合了集中荷载作用下构件的横向应力求解函数,构造了混凝土刚构桥腹板在预应力集中荷载作用下等效压力矩形的选取方法,并基于平面应力的表达式提出了在三维情况下沿预应力轴线的横向应力计算方法。通过建立某预应力混凝土刚构桥0~3#段实体有限元模型,分析施工过程中刚构桥混凝土腹板在不同等级预应力作用下的开裂情况。结果显示：有限元裂缝模拟与实桥腹板开裂范围一致,有限元应力分析结果下限值与推导的横向应力求解函数计算结果接近,变化趋势一致,印证了横向应力函数求解方法的正确性。     

横观各向同性双参数地基上矩形薄板的弯曲

弹性地基板是建筑工程中常见的构件,对其进行分析具有重要意义.对于工程中的大量由沉积作用形成的天然地基和分层碾压填筑而成的人工地基,采用横观各向同性地基模型更接近工程实际地基.本文将地基—板作为一个整体系统,利用最小势能原理,经过变分运算,推导建立了横观各向同性双参数弹性地基上矩形薄板弯曲的控制方程及其相应的边界条件.然后选取合理的挠度试函数,采用里兹法,对受横向荷载作用的四边自由矩形薄板进行了数值分析.计算表明:通过与其他文献的结果对比,两者吻合良好.所用理论在研究地基板的相互作用中具有普适性,为横观各向同性双参数弹性地基的应用奠定了基础.     

基于PZT的面内压电微驱动器力学分析

基于PZT的面内压电微驱动器是一种能够在面内产生水平运动的微型驱动器,由下层的Si单质和上层的PZT组成.通过施加电场,使驱动器末端产生位移来实现驱动功能.本文通过将整个驱动器划分为横梁和斜梁,以横梁和斜梁连接处位移相等为条件,求出二者连接处的受力大小,进而给出微驱动器在z方向电场作用下y方向上的形变关于各个结构参数及电场的函数表达式.     

微/纳米定位平台的动态特性分析与试验

为了分析微/纳传动平台的动态特性,应用拉格朗日方程,建立5自由度微/纳米定位平台的动力学模型,推导出固有频率及阶跃响应的解析式.采用有限元方法,仿真得到平台的前5阶固有频率和模态阵型.在不同驱动频率和不同加载下,分别进行静、动态试验,结果表明,平台的开环调节时间为0.812s;驱动频率为100Hz时,发生共振现象;加载小于10N时,平台具有较好的稳定性;动态试验得到压电陶瓷、电容传感器和平台的分辨率分别为4、10和45nm,且平台的重复定位精度为0.6μm.     

含有衬底的双层复合薄膜的磁电效应

建立了含有衬底的层状复合磁电薄膜的弹性力学模型,并简要推导了非理想耦合状态下的磁电双层膜的横向和纵向的磁电（ME）电压系数公式。计算了PMN-PT/CFO层状复合薄膜的磁电电压系数随压电相体积分数v、衬底的体积分数vs以及界面耦合系数k之间的变化关系。结果表明,衬底对磁电薄膜有着强烈的夹持效应。衬底的厚度、薄膜界面之间...     

受有边缘荷载的矩形板

弹性矩形薄板,在横向荷载作用下各种边界问题的小挠度解荅,在有关薄板理论的文献中均能找到。然而在边绿荷载作用下的计算,论述较少。这里,根据现有的弹性薄板小挠度基本方程式,导得了几种矩形板在边绿荷载作用下的内力及边绿位移计算公式。这些公式的推导原理简单,运算略繁,为省篇幅仅给出结果如下。     

Nonlinear static response of piezoelectric plates considering electro-mechanical coupling

Nonlinear static analysis of piezoelectric plates has been carried out using nonlinear finite element method considering electro-mechanical coupling. The geometrical nonlinearity has been taken into account and electric potential is assumed to be quadratic across the plate thickness. The governing equations are obtained using potential energy and Hamilton’s principle that includes elastic and piezoelectric effects. The finite element model is derived based on constitutive equation of piezoelectric material accounting for coupling between elasticity and electric effect using higher order plate elements. Results are presented for piezoelectric plate under different mechanical boundary conditions. Numerical results for the plate are given in dimensionless graphical forms. Effects of boundary conditions on linear and nonlinear response of the plate are also studied. The numerical results obtained by the present model are in good agreement with the available solutions reported in the literature.     

压电类智能结构耦合系统动力学分析

对压电类智能结构耦合系统动力学问题进行了分析,阐明了压电结构在外载(机械力或电场)作用下的力学特征、电学特征.从机电耦合弹性体的理论出发,运用Hamilton原理建立一般压电类智能结构耦合系统的动力分析模型,进行压电类智能结构耦合系统的有限元分析.以此为基础进行压电类智能结构耦合系统动力学分析:模态分析和瞬态动力分析.最后利用有限元分析软件ANSYS,对粘贴压电陶瓷片的压电悬臂板耦合效应进行模拟分析,进行了模态分析、瞬态动力学分析研究.说明了压电类智能结构耦合系统的动力学特性.     

基于“能量-故障”的复合材料层合板裂纹损伤检测与识别

对一含裂纹的复合材料层合板，通过粘贴在其表面一对压电压（一片作为传感器，一片作为激振器）构造子结构动力响应的激励和检测系统。通过守好板和损伤板的振动模态参数和时域响应信号比较，探讨了识别复合材料结构损伤的可行性。同时，利用小波包分析，基于动力响应信号各频率段的能量分布，撮结构损伤的特征量来表征结构损伤情况。结果表明，当用一个含有丰富频率成分的信号作为输入对系统进行激励时，可以较为准确地识别复合材料结构的裂纹损伤。     

压电智能板热效应分析模型的建立与仿真

通过有限元分析方法研究了压电智能板结构的热效应问题。采用了包含4个位移节点、2个电势节点和8个温度节点的有限元模型,其位移场按壳单元模型描述,电势场和温度场则按线性插值方法描述。基于虚功原理导出了热机电有限元方程,分析了温度场的改变对压电智能板结构动力特性、动力响应和输出电压的影响。通过一悬臂智能板结构的数值仿真,反映出温度变化造成的物理参数值改变对位移响应和输出电压具有一定的影响;温度变化产生的热载荷对动力响应和输出电压具有非常大的影响,表明了在智能板结构响应分析中考虑热因素的重要性。     

界面缺陷对压电薄层复合结构中Love波的影响

基于剪切弹簧模型,建立考虑界面缺陷情形的弹性基底上覆盖压电薄层的复合结构中Love波的频散方程,并研究界面缺陷对Love波传播特性的影响,给出铝基底上覆盖PZT4压电薄层复合结构中Love波的频散曲线.数值结果表明:(1)对于长波情形,不同缺陷程度复合结构的Love波一阶模态的相速度均趋于弹性基底层的剪切波波速,而对于短波情形,则趋于压电薄层的Bleustein-Gulyaev(B-G)波波速;(2)界面缺陷的存在总是降低该复合结构内Love波的相速度,在一些特殊频率范围,Love波的相速度对界面缺陷非常敏感;(3)界面缺陷对压电层内的机械位移模态和电势模态有显著影响,且影响最大区域出现在界面附近.     

一般边界条件下压电层合厚板的精确解

从三维弹性理论和压电学理论出发,通过假设边界函数,导出一般边界条件下压电层合板的状态方程,并运用传递矩阵求解方法,给出了满足周边和上、下表面所有边界条件的精确解析解.此解计及了正交异性压电弹性体的所有弹性常数和压电学常数,满足层合板所有基本方程和层间连续条件,适合任意厚跨比.本文所述的方法原理对于验证、比较其他简化模型和各种数值计算模型都有十分重要的指导意义,在工程中也有着广泛的应用前景.     

Exact axisymmetric solution of laminated transversely isotropic piezoelectric circular plates (Ⅱ)——Exact solution for elastic circular plates and numerical results

Emphasis is placed on purely elastic circular plates. Let the piezoelectric coefficients be equal to zero. Then two sets of uncoupled mechanical and electric equations are obtained and they can be solved independently. Two three-dimensional exact solutions of laminated transversely isotropic circular plate are derived under two boundary conditions, i.e. rigid slipping support and elastic simple support. For isotropic circular plates, the problem of multiple root is treated. At last, some numerical results of piezoelectric and purely elastic circular plates are presented and the applicability of classical plate theory is discussed.     

含刚性圆柱夹杂压电介质的动力反平面特性

利用复变函数和波函数展开法对稳态SH波在含刚性可移动圆柱夹杂的无限线弹性压电介质中的散射与动应力集中问题进行研究．获得压电介质中刚性圆柱夹杂周边动应力的表达式，并对具有不同压电特征参数和不同波数情况下的夹杂边界动应力集中系数进行了数值计算．计算结果表明，边界动应力集中对外加电场压电参数具有线性依赖关系，对含刚性可移动圆柱夹杂的压电介质进行低频和大压电特征参数情况下的动力分析是非常重要的。     

Exact axisymmetric solution of laminated transversely isotropic piezoelectric circular plates (II)

Emphasis is placed on purely elastic circular plates. Let the piezoelectric coefficients be equal to zero. Then two sets of uncoupled mechanical and electric equations are obtained and they can be solved independently. Two three-dimensional exact solutions of laminated transversely isotropic circular plate are derived under two boundary conditions, i.e. rigid slipping support and elastic simple support. For isotropic circular plates, the problem of multiple root is treated. At last, some numerical results of piezoelectric and purely elastic circular plates are presented and the applicability of classical plate theory is discussed. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 19572059) and Research Laboratory of Solid Mechanics of State Education Commission of China.     

Research on an inertial piezoelectric actuator for a micro in-pipe robot

In general, a micro robot system includes a microactuator, micro sensor, energy supply, and control sys-tem. At present, the research on a micro actuator inChina is basal in a laboratory phase, which lacks astrict analysis in theory. Hence, it should first besolved for the design on a micro actuator or micro robotthat the drive principiumof micro actuator is researchedand the dynamical equation is established. In this pa-per, a newkind of inertial piezoelectric actuator is pro-posed. The driv…