基于含金属芯压电纤维与Lamb波的结构损伤定位研究

摘要：含金属芯压电纤维（Metal-core Piezoelectric Ceramic Fiber,MPF）是一种新型压电功能器件。介绍了MPF的结构及其对圆形压电片激励Lamb波的传感响应模型。利用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟的原理,把MPF传感单一模式Lamb波在一维结构中进行了损伤定位研究。研究结果表明：MPF可以进行Lamb波的单一模式传感,采用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟效果较好,损伤定位精度较高。     

基于含金属芯压电纤维与Lamb波的一维结构损伤定位研究

含金属芯压电纤维(Metal-core Piezoelectric Ceramic Fiber,MPF)是一种新型压电功能器件.介绍了MPF的结构及其对圆形压电片激励Lamb波的传感响应模型.利用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟的原理,把MPF传感单一模式Lamb波在一维结构中进行了损伤定位研究.研究结果表明:MPF可以进行Lamb波的单一模式传感,采用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟效果较好,损伤定位精度较高.     

钻柱纵向振动分析与应用

利用钻柱纵向振动数学模型,分析了钻柱轴向应力振幅分布曲线和钻柱中最大轴向应力幅频曲线的特征以及钻井液粘度、激励位移、减振器位置对钻杆中最大轴向应力振幅的影响。分析表明：钻柱中轴向应力振幅沿纵向呈波状分布,其最大值在钻柱底部或钻杆中;钻杆中的最大轴向应力振幅随转速的变化曲线呈凹坑形,为了保护钻柱,应该选择凹坑中间的转速带;钻杆中的最大轴向应力振幅和钻柱底部的轴向应力振幅随转速的变化趋势并不完全一致,以后者作为判断钻柱是否共振和优选转速的指标不够准确,而应以前者作为该指标;钻杆中的最大轴向应力振幅与激励位移大致成正比;钻井液粘度越高,钻杆中的最大轴向应力振幅越小;减振器位置可以改变钻柱纵振系统的固有频率,从保护钻柱角度考虑,低转速时,减振器应紧靠钻头安装,高转速时,减振器应与钻头保持一定距离;通过优选钻具组合和转速,防止钻柱共振是预防钻具失效的有效措施     

变长度提升系统钢丝绳纵向振动特性

以提升系统中变长度柔性钢丝绳的纵向振动为研究对象,考虑钢丝绳刚性运动与变形运动的相互影响,应用Hamliton原理建立变长度提升系统钢丝绳运动微分方程,同时,利用五次多项式拟合得到的电梯理想运行状态曲线作为运动参数输入,对所建模型进行了算例分析。数值仿真结果表明：本文的方法能较好地反映变长度提升系统钢丝绳的纵向振动特性,推导出的方程为电梯钢丝绳纵向振动特性的进一步分析提供了依据。     

金属芯压电纤维/聚合物复合材料压电-黏弹-塑性行为的细观力学模型

为了表征金属芯压电纤维增强聚合物基（MPF/PM）复合材料非线性、时变的压电-黏弹-塑性行为,基于变分渐近理论建立MPF/PM增量形式的细观力学模型。首先分别导出聚合物和MPF增量型本构方程,基于汉密尔顿扩展原理推导出MPF/PM压电-黏弹-塑性变分原理的能量泛函。考虑材料的时变和非线性特征,建立与求解瞬时有效机-电耦合矩阵有关的增量过程,并通过有限元技术实现模型的数值模拟。利用构建模型研究了不同铝芯体积分数、电场变化率和加载条件对MPF/PM有效全局应力-应变和单轴纵向拉伸性能的影响。结果表明,构建的模型能准确模拟MPF/PM多场耦合作用下的非线性、时变行为,为该新型智能材料的实际工程应用奠定理论基础。     

压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

摘要：随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。本文从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍了国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。     

压电圆环晶片堆的径向振动分析

通过理论分析、数值计算、实验测量研究压电圆环晶片堆的径向振动,应用压电本构方程,通过求解晶片堆的导纳,取其最大,推导压电圆环晶片堆的共振频率方程。采用数值法对理论方程进行模拟计算,用阻抗测量和激光扫描測振实验测量单片圆环和晶片堆的共振频率,并与理论计算进行比较,结果吻合较好,误差小于1.5%。     

压电层合纤维在动载荷作用下的应力和电势的瞬态响应

利用压电层合纤维层间的连续性条件和外表面的应力边界条件,通过有限Hankel积分变换和Laplace变换求解压电层合纤维的力电耦合的动力学方程,给出了压电层合纤维在动载荷作用下的应力和电势瞬态响应的解析解。从解析表达式和算例,可以得到在径向动载荷下层合压电纤维的应力和电势的瞬态响应历程和实心处动态集中效应的规律。     

计及横向振动的夹心式功率超声压电换能器

研究了大尺寸夹心式压电换能器的耦合振动。通过引入各部分的振动耦合系数及等效弹性系数,推出了换能器的耦合振动频率方程。与一维理论比,本方法不受换能器横向尺寸的限制。与数值方法比、本方法无需电子计算机就可迅速得出结果。实验表明,本方法得出的夹心式换能器的共振频率比一维理论得出的结果更接近于实测值。     

多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

摘要：为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出了一种新颖的多方向振动能量收集装置的设计结构,装置的换能部分采用了一种Rainbow型压电结构。为提高多方向振动能量收集装置收集能量的效果,以多方向振动能量收集装置输出的总电能为目标函数,综合考虑金属弹性基片的强度、装置振动的固有频率及装置的尺寸空间要求等多种因素,采用序列二次规划法对能量收集装置的结构参数进行了优化。该多方向振动能量收集装置经过优化后,在Y向激励时,其输出的总电能为37.146μJ,比优化前提高了30.82%,当沿装置体对角线方向激励时,结构装置输出的总电能为58.715μJ,比优化前提高了29.24%,装置的能量收集效果得到了明显提高。分析结果为多方向振动能量收集装置的设计、制造及应用提供了技术依据。     

压电纤维复合材料桨叶的动力学建模

建立了压电纤维复合材料桨叶的非线性动力学模型。在此基础上,研究了压电纤维铺层对复合材料桨叶固有频率和桨叶扭转运动阻尼特性的影响。计算结果表明：桨叶扭转角变化量随着压电纤维施加电压的增加而增大;当电压为1000 V时,桨尖扭转角变化量大约为2°。压电纤维铺层对桨叶固有频率几乎没有影响,其存在不会改变原设计复合材料桨叶的频率分布。当压电纤维铺设方向与桨叶展向成45°时,其对桨叶扭转方向的阻尼特性有着很大的影响;采用适当的电压控制,可以明显增加扭转方向的阻尼。     

Ti-C纤维金属层压板自由振动试验和数值分析

为研究由钛合金和碳纤维增强复合材料交替铺设而成的Ti-C纤维金属层压板(FMLs)的制备及自由振动,首先,使用有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN对不同尺寸Ti-C FMLs的自由振动进行了二维有限元建模计算,确定了尺寸效应对FMLs固有频率的影响;然后,采用电磁激振器和非接触式激光扫描仪进行自由振动试验,比较了数值仿真结果和试验结果;最后,计算了相同尺寸的纯碳纤维复合材料层压板和不同钛合金层压板层数的Ti-C FMLs的固有频率,研究了钛合金层压板层数对FMLs固有频率的影响。结果显示:试件的尺寸越小,固有频率的计算误差越大,即当结构面内尺寸相对于厚度的倍数较小时,模型的计算误差大;数值仿真结果和试验结果总体吻合较好,有限元模型有效;FMLs的固有频率随着钛合金层压板层数的增加而减少。所得结论可为提高Ti-C FMLs自由振动的可设计性提供参考。      

含金属芯压电压磁纤维/聚合物基复合材料时变、非线性和多物理场响应的细观力学模型

为有效模拟新型多功能智能材料——金属芯压电压磁纤维/聚合物基复合材料(MPPF/PMCs)的有效时变、非线性和多物理场响应,基于变分渐近法建立增量形式的细观力学模型。首先分别导出聚合物、压电压磁材料和金属芯的增量本构关系,建立统一的本构方程;以此为基础,推导出能量变化泛函的变分表达式。考虑材料的时变和非线性特征,建立与求解瞬时切线电-磁-力耦合矩阵有关的增量过程;通过最小化近似泛函求解场变量的波动函数,并通过有限元数值实现,从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型。通过含铝芯压电(BaTiO_3)压磁(CoFe_2O_4)聚合物基复合材料算例表明:构建的模型可用于模拟不同多物理场下MPPF/PMCs的有效响应,可准确捕捉纤维与基体间的应力突变现象。     

Flexural vibration of a lithium niobate piezoelectric plate with a ferroelectric inversion layer

Abstract

Two-dimensional equations for flexural motions of a lithium niobate piezoelectric plate are derived from three-dimensional equations. The plate has a ferroelectric inversion layer where the piezoelectric constants reverse signs. The equations show an unconventional behavior that a uniform electric field along the plate thickness can produce bending. This offers many possibilities for new designs of devices. Waves in unbounded plates are examined for the accuracy of the equations. A piezoelectric energy harvester based on such a plate is analyzed as an example of the application of the equations derived in vibrations of finite plates.     

Active control of nonlinear forced vibration in a flexible beam using piezoelectric material

Geometric nonlinearities of the beam and piezoelectric patch are considered. Velocity feedback control algorithm is implemented applying piezoelectric materials. The equation of motion of the system is established using Hamilton's principle. The effects of control gains on primary resonance properties of the beam are studied. It is observed that, with the amplitude of external excitation increasing, the amplitude of resonance curve increases. The velocity feedback control can improve unstable resonance of the beam. When the control gain is increased to a certain value, the unstable regions in the resonance and amplitude-frequency curves disappear.     

基于PVDF压电传感器测量振动结构体积位移

控制振动板结构的体积位移是降低结构总声功率的一种有效策略。本文以工程常见四端位移为零的振动板为例，提出一种新的压电式传感器的设计方法测量体积位移。利用正弦函数展开近似表示固定板振动位移，通过设计特殊形状的PVDF压电薄膜，使PVDF输出信号为所需要的振动结构体积位移。结果表明这种体积位移传感器不仅适用四边简支、四边固定以及介于两者之间的边界条件板结构，而且作为一种误差传感器测量振动结构体积位移是可行的。并对实验数据进行了分析比较。     

计及压电效应时矩形振子的三维振动研究

在计及压电效应的情况下，本文利用解析方法对有限尺寸压电陶瓷矩形振子的三维振动进行了研究，推出了振子耦合振动的频率方程，并对振子的振动模式进行了分析。理论研究表明，利用本文中的解析法研究振子的耦合振动，计算简单、物理意义明显。与传统的一维理论分析方法及数值方法相比，由于本研究考虑了振子的压电效应以及不同振动模式不同的相互耦合，因此，振子的理论计算频率与测量值更加符合。     

液芯有机光纤的研制

研制出了液态有机光纤.结果表明,有机溶液的拉曼光谱与普通样品池的方法相比,其强度增加102倍以上.