1-1-3型压电复合材料的水声换能器研究

应用切割灌注法制备了1 1 3型压电复合材料,并对其电学性能进行了测试。1 1 3型压电复合材料通过在压电晶柱间引入2种具有不同杨氏模量的聚合物,提高复合材料整体的机电耦合系数。经测试,其机电耦合系数达0.65。以此材料为基础制备了谐振频率为110 kHz的水声换能器,并研究了匹配层对1 1 3型压电复合材料换能器性能的影响。通过对比发现,当换能器具有匹配层结构时,可产生共振效应,能有效提高换能器的发射电压响应及接收灵敏度。     

振动控制中压电元件优化配置研究进展

压电材料以其工作频率宽,响应快,性能稳定和力电耦合效应强等优点已被广泛应用到结构振动主动控制中,该文对压电元件在结构振动主动控制中的优化配置问题进行综述。根据力电耦合关系,给出振动控制中压电元件的传感和作动方程,并推导了压电传感器/作动器的优化配置问题的数学模型;对优化配置问题中基于控制系统性能和系统能量的优化配置准则的研究状况进行总结和评述;同时对优化配置计算中常用方法进行了概括和分析,文中分别对压电传感器/作动器的位置、数目、尺寸和控制增益的优化研究成果进行总结,为工程实际提供方便快捷的布置方案,最后给出需要进一步研究的几个问题。     

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。     

MEMS压电指向性传声器仿真与性能优化

为提高微机电系统(MEMS)压电指向性传声器的声压灵敏度,该文采用有限元法对一种MEMS压电指向性传声器进行了仿真与性能优化。对于该压电指向性传声器结构的声压灵敏度随压电层材料种类、厚度及长度的变化进行了研究,优化了结构参数,提高了器件的灵敏度及信噪比。结果表明,当硅梁厚为10 μm,压电层厚为6.3 μm时,器件灵敏度达到最大,较先前结构提高了约14 dB。     

硬盘读写头驱动臂的压电分流阻尼抑振

针对读写头驱动臂的振动响应限制了硬盘驱动器性能提高的问题,进行了硬盘读写头驱动臂的压电分流阻尼抑振实验.在考虑驱动臂自身阻尼的情况下,根据结构振动方程和分流电路机械阻抗方程,建立了耦合有压电分流电路的驱动臂系统的传递函数,以传递函数的极大值最小化为目标进行分流电路的参数优化,采用LM-BP网络建立优化参数和结构动力学参数间的非线性映射关系.实验证明,参数优化后的压电分流阻尼系统能有效抑制驱动臂的振动响应,使其1阶稳态响应降低了28.70 dB.     

多孔夹层压电复合材料的研究

使用多孔炭黑/P(VDF-TFE)导电复合材料与03型PZT/P(VDF-TFE)压电复合材料进行二次结构复合,形成多孔夹层压电复合材料,对其静水压压电性能进行了分析测试。研究结果表明,这种多孔夹层压电复合材料的静水压压电优值(d·g)比单层03型PZT/P(VDF-TFE)压电复合材料的静水压压电优值获得明显提高。     

串叠复合材料圆环阵水声换能器设计及制备

提出了一种新型高频宽带压电复合材料圆环阵换能器,综合采用了压电复合材料和多模耦合振动来拓展换能器带宽。通过ANSYS软件对其进行有限元建模仿真,得到了该换能器谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件最优设计方案。由最优参数加工得到用于叠堆的两个压电复合材料圆环,并将两压电复合材料圆环轴向叠堆,最终制作了双圆环叠堆压电复合材料水声换能器。经测试,该新型换能器形成了明显的双模耦合振动,其-3dB工作带宽为320~410kHz,最大发送电压响应达147.8dB。研究结果表明,利用复合材料和多模耦合振动可以大幅度拓展高频换能器的带宽。     

组合压电材料发电性能及力学特性研究

采用组合式压电材料的方法优化调节压电式能量收集器中压电结构的发电性能、刚度及振动特性,并在PZT-5H的单晶压电片中引入压电材料PZT-51与PVDF,通过调整组合形式改变了压电结构的机械刚度,通过模态分析优化了压电结构的振动特性。结果表明：合理的组合形式能够充分发挥压电材料的力电性能,提高压电能量收集器对复杂工作场景的适应性。引入压电材料PZT-51可以有效提高压电能量收集器的刚度;引入压电材料PVDF可以有效调节压电结构的一阶特征频率,在54～115 Hz范围内进行优化,有助于调节压电能量收集器的性能参数。     

压电柔性结构形状复合控制方法研究

以宏纤维复合材料(MFC)驱动柔性悬臂结构为研究对象,着重开展其动态形状控制理论研究。基于有限单元法、均匀化理论和载荷比拟方法,建立了压电驱动层合结构力 电耦合动力学方程,并结合模态降阶法得到其状态空间形式控制模型。同时,针对压电材料作动器迟滞蠕变非线性特征对控制精度影响严重的问题,开展了依据实验数据的迟滞蠕变建模及其前馈逆补偿控制方法的研究,并构建了面向压电驱动柔性结构动态形状控制的迟滞 蠕变前馈补偿与自抗扰反馈控制相结合的复合控制系统。结果表明,该复合控制法能够在保证系统稳定性的前提下有效提高系统动态形状控制精度。     

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)。     

遥感仪器光机系统用高体分SiCp/Al复合材料的疲劳研究

由于高体分铝基复合材料应用在空间遥感器的结构设计中可能会存在疲劳问题,对高体分SiCp/Al复合材料的疲劳破坏行为进行了研究。首先,介绍了疲劳试验方法,确定采用常规 试验方法来研究高体分铝基复合材料的疲劳强度,并对疲劳试验进行了规划。然后通过用三参数幂函数模型处理实验数据获取了S-N曲线中关键参数的数学模型,提出了振动试验中的振动频率选取方法。最后利用振动试验台对5个疲劳试件进行了试验,并用三参数幂函数模型对观测值进行了拟合。结果表明,高体分SiCp/Al复合材料的疲劳强度为161 MPa。该研究结果能够有效地指导航天遥感器的结构设计工作。     

遥感仪器光机系统用高体分SiCp／A1复合材料的疲劳研究

由于高体分铝基复合材料应用在空间遥感器的结构设计中可能会存在疲劳问题，对高体分SiCp／A1复合材料的疲劳破坏行为进行了研究。首先，介绍了疲劳试验方法，确定采用常规试验方法来研究高体分铝基复合材料的疲劳强度，并对疲劳试验进行了规划。然后通过用三参数幂函数模型处理实验数据获取了SN曲线中关键参数的数学模型，提出了振动试验中的振动频率选取方法。最后利用振动试验台对5个疲劳试件进行了试验，并用三参数幂函数模型对观测值进行了拟合。结果表明，高体分SiCp／A1复合材料的疲劳强度为161MPa。该研究结果能够有效地指导航天遥感器的结     

0-3型水泥基压电复合材料有限元分析与优化

用ANSYS有限元软件对纯压电陶瓷(PW)及0-3型水泥基压电复合材料(PCM0)依次进行静力、模态、谐响应及瞬态动力特性力-电耦合场分析,并以PCM0半径(Rc)和厚度(Hc)为变量对进行材料量优化设计。相比PW,PCM0垂直于极化方向的电位移增大10.9%,使压电应变常数增大;响应频率减小,呈稳态响应特性;水泥掺入对PCM0迟滞效应影响可接受。PCM0最优材料用量对应的Rc、Hc分为5.1mm、0.76mm。     

Design of a frequency selective structure with inhomogeneous substrates as a thermophotovoltaic filter

In this paper, the design of a thermophotovoltaic (TPV) filter with high-pass characteristics is presented. The filter is in the form of a frequency selective structure (FSS) with cascaded inhomogeneous dielectric substrates. The goal is to allow for more design flexibility using dielectric periodic structures to deliver a sharper filter response. Therefore, the primary focus is to design a periodic material substrate composition (supporting FSS elements) using a topology optimization technique known as the density method. The design problem is formulated as a general nonlinear optimization problem and sequential linear programming is used to solve the optimization problem with the sensitivity analysis based on the adjoint variable method for complex variables. A key aspect of the proposed design method is the integration of optimization tools with a fast simulator based on the finite element-boundary integral method. The capability of the design method is demonstrated by designing the material distribution for a TPV filter subject to pre-specified bandwidth and compactness criteria.     

用于传感器节点供电的压电振动发电机研究

悬臂梁式压电振动发电机是一种新型的供电装置,可广泛应用于无线传感器网络节点进行供电.首先建立以悬臂梁为结构方式的压电振动换能器的模型;然后从遗传算法和田口稳健设计的理论方法出发,以输出平均功率为优化目标的对换能器进行稳健优化设计;接着以钽电容和稳压二极管为核心设计了换能器的能量收集电路,最后用优化后的参数制成样机进行测试.测试结果证明,该发电机完全能满足功耗为50 μW的传感器节点的使用要求,验证了该研究方案的可行性.     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

压电陶瓷频率响应及振动面幅值激光外差测量

压电陶瓷已广泛应用于检测、通讯等各个领域。该文采用外差式激光干涉测量法,开展了压电陶瓷振动特性研究。首先给出了激光外差干涉测振仪测试压电陶瓷振动特性的测量方法,并通过实验测得了压电陶瓷片单点振动的频率响应曲线,同时测量了径向直线上若干点的振动频响曲线,进而进行了整个压电陶瓷圆环表面在其谐振频率点的振动测量。实验结果表明,实测压电陶瓷片的谐振频率为30 710 Hz,与其产品标定值30 000 Hz存在710 Hz偏差。其圆环表面振动的振型具有不对称性,这对压电陶瓷的应用设计提供了指导意义。     

一种压电形状记忆合金复合材料的建模

提出了一个全新概念的压电陶瓷形状记忆合金(piezo-SMA)复合材料,作为一种新的驱动材料,它具有驱动速度快和应变大的特点.为了验证该观点,构造了一种基于Eshelby公式的新模型,在公式中运用了线性压电本构方程和SMA超弹性等式.由应力和电场诱发的应变,可产生两种简单的压电形状记忆合金(piezo-SMA)复合材料,一维串联模型和一维并联模型复合材料.该模型表明,一维并联强化结构提供的由偏应力和在其他复合结构的外加电场诱导下产生最高应变力.     

超声调制电加工系统换能器的特性分析与研究

根据压电振子的动态特性和超声复合电加工振动系统对换能器的要求,设计压电陶瓷换能器;利用ANSYS有限元法对压电陶瓷晶堆进行建模,分析压电陶瓷晶堆的动力学特性。通过ANSYS参数化设计方法,运用多物理场耦合模块分析了压电陶瓷晶堆片数、输入电压信号大小、输出振动位移幅值和晶堆固有频率之间的相互关系,验证了压电换能器设计的合理性及特性分析的正确性。