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.     

一种薄膜体声波谐振器的设计与验证

为简化薄膜体声波谐振器薄膜厚度的设计,提出一种薄膜体声波谐振器薄膜厚度的设计方法。仿真结构由诱导层和其上层的电极层-压电层-电极层的三明治结构组成。在最优有效机电耦合系数下确定初始薄膜体声波谐振器的薄膜厚度;然后确定诱导层厚度及其相应的频偏值;使用频偏值补偿并联谐振频率,重新计算补偿后的薄膜体声波谐振器中电极层与压电层的最优厚度比值,并使用COMSOL Multiphysics进行仿真验证。当并联谐振频率为3.60 GHz时,100 nm的氮化铝的频偏值为0.20 GHz。氮化铝的有效机电耦合系数最优为5.907%,进行频率补偿后,氮化铝的串联谐振频率和并联谐振频率分别为3.48 GHz和3.60 GHz,设计方法得到了验证。诱导层有效地优化了压电层C轴特性,减少了能量损耗。     

基于zig-zag假设的压电阻尼层合结构机电耦合建模与分析

基于zig-zag板壳假设和哈密顿原理建立了压电阻尼层合结构的机电耦合动力学有限元模型,实现了结构自然频率和损耗系数的准确计算。有限元模型采用八节点的七自由度(degrees of freedom, DOFs)四边形单元,且考虑阻尼层的复弹性模量。通过对文献算例的计算与仿真,验证建立的有限元模型的正确性。研究了材料增强角度、阻尼层厚度和结构曲率对压电阻尼层合结构频率和损耗系数的影响,为压电阻尼层合结构的减振及结构优化提供参考。     

压电致动式圆片驱动装置结构分析与设计

根据压电致动的工作原理,建立了圆片微驱动装置的压电复合层薄板的机电耦合力学模型;应用弹性薄板的小挠度弯曲理论,推导出圆形压电复合层薄板的弹性曲面微分方程,提出由逆压电效应引起的平面应变可以等效为作用在压电复合层薄板上的横向荷载的设计方法;指出等效横向荷载取决于平行板电容器的边缘电场分布.推导了压电复合层薄板中性面的表达式.在求电场的超越方程数值解的基础上,建立了微驱动装置的有限元结构模型,并对某微泵驱动装置进行了计算仿真,得到令人满意的结果.     

随机参数压电桁架结构的稳定可靠性分析

在有限元分析方法基础上,基于稳定特征方程对随机参数压电桁架结构进行稳定可靠性分析.综合考虑电荷载和机械荷载联合作用的机电耦合效应,以杆元的物理参数和外荷载系数为随机变量,给出了压电桁架结构失稳的安全余量的表达形式和临界荷载系数对变量求导的方法.在此基础引入随机有限元法,对压电桁架结构进行结构稳定可靠性分析.最后由算例分析了机电耦合效应压对稳定可靠性指标的影响,分析表明考虑压电材料的机电耦合效应和利用外加电压可以提高结构系统的可靠性指标.该方法对含压电材料桁架在工程实际的稳定可靠性分析提供了一个较好的方法.     

压电复合圆盘水声换能器弯曲振动理论与参数

为使小尺寸压电复合圆盘水声换能器具有良好的低频响应性能,采用能量法对三叠片压电圆盘复合振子水声换能器的振动特性进行研究,给出了弯曲圆盘水声换能器的基本参量表达式,得出了在简支边界条件下,等厚三叠片所构成的压电圆盘具有最大等效机电耦合系数。通过实际结构水声换能器实验,结果表明:采用不同的金属基板,发现在有效机电耦合系数上,锰黄铜的性能要稍微优于铝合金和钛合金。在谐振频率方面,其实测值与理论计算值相差不大,采用能量法进行近似理论分析比较切合实际,为此类压电水声换能器的设计和实际应用提供了参数设计计算方法。     

铜颗粒分散铌酸钾钠压电复合材料的制备与性能

在工业氮气(N2)气氛条件下制备了锂掺杂铌酸钾钠/铜(NKLN/Cu)压电复合材料,研究了铜含量对复合材料的相结构、密度、电学性能及力学性能的影响。结果表明:复合材料由NKLN陶瓷相和Cu金属颗粒两相组成,不同Cu含量复合材料的相对密度均达到95%以上。复合材料的介电常数随Cu含量的增加而急剧增加,压电常数和机电耦合系数随Cu含量的增加而减小,当Cu的体积分数达到20%时,NKLN/Cu复合材料的介电性能和压电性能均难以测量。NKLN/Cu复合材料的显微硬度随Cu含量的增加而降低,断裂韧性值随Cu含量的增加而升高,从铌酸钾钠陶瓷的1.01 MPa逐渐增至Cu的体积分数为40%时的2.81 MPa。     

压电相体积分数对1-3 型压电复合材料的性能影响

采用有限元软件仿真研究了不同的压电相体积分数对1-3 型压电复合材料性能的影响, 并进行了实验验证。结果表明: 当压电相体积分数按照47% 、52% 、68% 、74% 、100% 变化时, 串联谐振频率和并联谐振频率均随压电相体积分数增大而增大; 机电耦合系数在压电相体积分数为52% 时获得最优值0.698; 复合材料的频率常数、密度、纵波声速和声阻抗均随着压电相体积分数的增大而增大。有限元仿真与实验结果较为一致。该材料有望用于制备高性能的无损检测用超声换能器。     

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...     

微型超声波电机定子振动特性有限元分析

利用有限元法对齿状环形行波型微超声波电机定子的振动特性进行了计算分析.建立了定子弹性体和压电体耦合的有限元模型,利用SOLID45单元将定子编制成ANSYS有限元软件的宏文件,以便于改变定子尺寸并自动生成相应的有限元模型;探讨了不同结构参数对压电定子动态性能的影响,得到了各结构参数对压电定子模态频率的影响曲线.研究结果表明,定子弹性体与压电体之间的胶粘层对定子模态频率的影响很小,在分析过程中可以忽略;定子的振动主要以弯曲模态为主,其振动频率随压电陶瓷和定子环厚度的增加而增大,随定子齿高、齿数和内径的增加而减小.     

LiB3O5晶体弹性与压电性能的研究

计算并绘制了LiB3O5(简称LBO)晶体在(100)、(010)、(001)3个主晶面内慢度分布曲线,得到了声速的最大值及其方向. 探讨了LBO晶体纵向压电系数d33及机电耦合系数k33随空间方向变化的规律,分别得到了LBO晶体压电系数d33及机电耦合系数k33的最大值及其方向,并与Li2B4O7进行了比较. 结果表明,LBO晶体有作为声光器件和压电器件的潜力,并对相关器件的设计、开发及利用等方面有一定的理论指导作用.     

Design and optimization of the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer with an AlN thin film

Because existing ultrasonic transducers mostly use PZT and ZnO materials as piezoelectric thin films, while the PZT contains lead and ZnO has the problem of contaminating CMOS manufacturing, a piezoelectric ultrasonic micromechanical transducer with circular bi-laminate bending vibration which uses the aluminium nitride as the piezoelectric layer is designed. The working principle of the transducer is analyzed, the finite element model is established, and the finite element simulation is carried out for the size parameters of the transducer. It is found that the resonant frequency of the transducer is proportional to the thickness of each layer and inversely proportional to the square of the radius of the transducer; when the radius of the upper electrode is about 65% of the radius of the transducer, the resonant amplitude of the transducer is the largest; when the thickness ratio of the silicon and the aluminum nitride of the piezoelectric layer is about 0.6, the resonant amplitude is also the largest. The optimized transducer is simulated and compared with the original model. The results show that the working frequency in air is 9.21MHz, the electromechanical coupling coefficient increases from 21.44% to 27.16% in air and from 3.55% to 11.93% in water. These conclusions provide basic data for the research on the medical imaging probe.     

薄膜声体波谐振器的电磁场建模与仿真

为了模拟薄膜声体波谐振器（FBAR）的电磁场(EM)分布特性，提出了一种新的FBAR建模方法.该方法从基本的一维弹性压电方程和三维麦克斯韦尔方程出发，结合电极与压电薄膜交界处机械应力与机械位移连续的边界条件，推导出了FBAR等效复介电常数的严格解.将电磁场和声场等效到一个复介电常数中，用等效复介电常数的形式来包含电声效应.并基于有限元方法对FBAR全波段进行了仿真.结果表明，该方法的仿真结果与实测数据基本一致，具有很好的准确性.与传统的电路模型比较，由该方法得到的模型能够实现场的不连续仿真和FBAR的电磁场分布与压电效应的实时仿真.     

Electromechanical coupling of 2-2 piezo-composite material

A dynamic mode) for 2-2 piezo-composite material was developed,in which the acoustic plane waves propagating along the interface were solved and their dispersion curves were obtained.By taking the resonator thickness as half a wavelength or its odd fold,the resonant frequencies of the composite transducers are in agreement with the dispersion curves.From the dynamic model the piezoelectric coupling coefficients for the thickness vibration of the composite could be obtained as a function of the composite thickness as well as the volume fraction of the ceramic phase.The results show that when the thickness vibration mode is decoupled with the lateral periodical vibration mode,the piezoelectric coupling reaches its maximum.This condition gives a maximum frequency bandwidth and a greatest piezoelectric coupling coefficient for the composite material.     

压电阀电-机械转换器结构设计分析

为提高现有喷嘴挡板型电液伺服阀的静、动态性能,采用双压电晶片及铍青铜制作出喷嘴挡板式压电阀的电-机械转换器.针对压电层和金属层的宽度、长度和厚度等结构参数对电-机械转换器静、动态性能的影响进行了理论、仿真及实验研究.结果表明：宽度对静、动态性能没有影响,输出位移同长度的平方成正比.长度增大时,幅频宽和基频减小;金属层厚度或压电层厚度增大时,输出位移减小,幅频宽和基频增大.最后对电-机械转换器的振型进行了仿真分析,结果表明满足设计要求.     

钡钙锶共掺杂钛酸铋钠无铅压电陶瓷的制备及性能

采用溶胶-凝胶法制备工艺制备了（1-x）（Na0.5Bi0.5）TiO3-xBa0.092Ca0.03Sr0.05TiO3（x=0.04、0.06、0.07、0.08）系无铅压电陶瓷。研究了陶瓷的铁电、压电性能和显微结构。结果表明,该体系陶瓷在x=0.06时,其压电常数d33,机电耦合系数kp,厚度耦合系数kt,相对介电常数rε,介质损耗tgδ,分别为152,0.24,0.47,1 250,0.04。     

石英晶体谐振器探测沉积膜层的特性

本文介绍压电石英晶体谐振器探测沉积膜厚度及速率的工作原理。根据石英晶体和沉积膜层的切变弹性声阻抗理论,并利用在界面处的输入阻抗概念,导出了沉积一种材料膜层时复合系统的谐振频率变化与沉积层材料声阻抗和质量之间的理论关系式,进而导出了沉积多种材料膜层系时的理论关系式。这些关系式是使用石英谐振器精确探测沉积膜层的科学依据。     

敷设声学覆盖层的双层壳抗冲性能研究

为提高水下航行器的隐身性能,通常在其表面敷设各种声学覆盖层,由于声学覆盖层含有空腔的特殊结构形式,该结构形式在受到爆炸冲击波作用时,腔体将产生变形并吸收能量,这将严重影响水下航行器的抗冲击性能.该文针对敷设声学覆盖层的加筋双层圆柱壳的抗冲性能进行了数值仿真研究,给出了兼具抗冲和隔振功能的声学覆盖层结构设计及性能参数优化建议.结果表明:内壳外表面敷设声学覆盖层时,结构的抗冲击性能较其他敷设部位好,减小声学覆盖层腔体形状,能提高双层圆柱壳体的抗冲性能.在声学覆盖层满足结构减振降噪要求情况下,建议尽量减小其腔体形状.