强激光诱导的应力波在靶板中衰减特性数值模拟

利用ABAQUS 数值模拟软件对脉宽为ns量级的强激光诱导的应力波在铜靶中传播特性进行了模拟研究。建立了适合于高压高应变率下一维平面应力波在铜靶中传播的有限元分析模型,模拟了两种不同激光冲击波峰值压力诱导的应力波在铜靶中衰减的特性。结果显示,峰值压力为0.35 GPa和3.5 GPa 下驱动的应力波在铜靶中的传播速度分别为4 600 m/s,4 000 m/s。峰值压力为3.5 GPa 冲击波在靶体内诱导的应力波出现了弹性波和塑性波的双波结构。应力波峰值的衰减规律呈指数形式衰减。模拟计算的结果与理论和实验结果较为一致。     

激光冲击圆杆曲面诱导的残余应力数值模拟

采用有限元分析方法对激光冲击2024铝合金圆杆圆周曲面诱导的动态应力波及其残余应力进行了数值模拟。首先,在ABAQUS/Explicit显式分析模块中模拟了峰值压力为2 GPa激光冲击波在16 mm杆中诱导的应力波的传播过程。随后,在ABAQUS/Standard隐式分析模块中进一步计算在圆杆曲面上诱导的残余应力。在此基础上,分析了圆杆直径的大小对应力波峰值衰减和残余应力分布的影响,并进行了相关的试验验证。研究结果表明,峰值压力为2 GPa冲击波在16 mm的杆中诱导的弹塑性的应力波,应力波的峰值压力在400 ns时间内迅速衰减至250 MPa。冲击后,在距光斑中心小于0.5 mm冲击区域内分布不均匀残余应力,在光斑中心处形成了残余拉应力,轴向S11值为42 MPa;在半径为0.5~1.5 mm的冲击区域分布着残余压应力,S11值大约在250 MPa。应力波在传播过程中,其压力峰值衰减的速率随着杆径的增大而减慢,表面形成的残余压应力均随杆径的增大而增加。     

微型压电能量采集器的仿真、制造与测试

理论分析得到微悬臂梁式压电能量采集器的设计准则.采用一种新颖的制造工艺,将高性能压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)块材与硅片在540 ℃高温下键合1 h后,减薄并切割成形成压电悬臂梁.使用ANSYS软件进行仿真,得到了器件的固有频率、尖端位移和电压输出的频率响应.设计一套振动能量采集器测试装置,并对器件进行测试.测试结果表明,所制得的器件固有频率为2 580 Hz,在10 m/s2的正弦加速度激励下,其输出峰-峰值电压达1.58 V,测试结果与仿真分析基本吻合.     

GMM,PZT和弹性基板复合磁电耦合效应研究

将超磁致伸缩材料(GMM)、压电材料(PZT-5H)复合于弹性基板上,利用共振原理构造了一种新型的磁电换能器.当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基板的固有频率时,GMM将驱动弹性基板振动并发生共振,粘结于基板上的压电材料的输出电压将达到极大.实验研究表明,该器件的磁电耦合电压曲线呈现多个峰值,在800 Oe偏置磁场和1 Oe交变磁场激励下,谐振点处的磁电耦合电压系数达到1.552 V/Oe.     

GMM,PZT和弹性基板复合磁电耦合效应研究

将超磁致伸缩材料(GMM)、压电材料(PZT-5H)复合于弹性基板上,利用共振原理构造了一种新型的磁电换能器。当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基板的固有频率时,GMM将驱动弹性基板振动并发生共振,粘结于基板上的压电材料的输出电压将达到极大。实验研究表明,该器件的磁电耦合电压曲线呈现多个峰值,在800Oe偏置磁场和1Oe交变磁场激励下,谐振点处的磁电耦合电压系数达到1.552V/Oe。     

GMM，PZT和弹性基板复合磁电耦合效应研究

将超磁致伸缩材料（GMM）、压电材料（PZT-5H）复合于弹性基板上，利用共振原理构造了一种新型的磁电换能器。当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基板的固有频率时，GMM将驱动弹性基板振动并发生共振，粘结于基板上的压电材料的输出电压将达到极大。实验研究表明，该器件的磁电耦合电压曲线呈现多个峰值，在800Oe偏置磁场和1Oe交变磁场激励下，谐振点处的磁电耦合电压系数达到1.552V/Oe。     

弯曲摆动作用下MFC输出开路电压幅值的研究

为了对基于柔性压电材料的流致振动俘能装置的设计优化提供技术支持,对一种压电纤维复合材料（MFC）的压电纤维片在弯曲摆动作用下的压电特性展开研究。首先理论分析了MFC压电纤维片的压电输出机理,并建立了压电模型,得出影响MFC压电纤维片输出开路电压幅值大小的各种因素;然后设计搭建了一种基于步进电机的MFC压电纤维片往复弯曲摆动试验台,利用该试验台研究了MFC压电纤维片在不同弯曲角度、弯曲摆动速度、基板、表面积等因素下的压电特性。研究结果表明,MFC压电纤维片的输出开路电压幅值随纤维片弯曲角度的增加而增大,当输出电压幅值达到最大值,继续增加弯曲角度,输出开路电压幅值不会产生明显变化;其输出开路电压幅值随压电片表面积的增加而变大;弯曲摆动速度及基板对输出开路电压幅值影响较小。     

压电陶瓷驱动电源研制及其在打印机中的应用

针对压电喷墨打印机的工作特点研制了一种压电陶瓷驱动电源。它能提供正、负输出,并能对压电陶瓷进行双向快速放电。输出电压可达±100 V(峰-峰值)。单路输出电流大于20 mA,驱动脉宽在5~200μs内连续可调,可实现多个串联的压电陶瓷致动器并行驱动。实验结果表明,该电源可满足压电喷墨打印机的驱动要求。     

基于行车风压的谐振腔式压电俘能器研究

针对汽车行驶过程中车载传感器需要持续稳定的供能需求,设计一种以谐振腔结构为主体,扰流圆柱与亥姆霍兹谐振腔为辅助的压电俘能器。为研究俘能器的发电性能,设计其最佳结构,建立流固电耦合仿真模型。仿真时,根据实际风压分布,将风压载荷分区加载到压电发电模块。仿真分析结果表明,基板与压电陶瓷的厚度比对压电悬臂梁的输出电压和固有频率有影响,最佳厚度比为1.25;基板与主腔体间间隙、扰流圆柱直径、亥姆霍兹谐振腔皆存在最佳尺寸参数使压电俘能器发电性能达到最佳;负载电阻在400～600 kΩ内时,可获得最佳的输出功率;风速为15 m/s时,最大输出功率为37.3 mW。     

收缩管型压电微滴喷射理论分析与实验研究

为了得到驱动电压波形对收缩管型压电微滴喷射性能的影响规律,基于Bogy等提出的压力波传递理论,分析了收缩管型压电微滴喷射头喷腔中的压力传导过程。构建了压电微滴喷射系统的实验平台,以质量分数为58%的甘油和水混合液为实验中的喷射对象,对微滴喷射过程中驱动电压的脉冲宽度、幅值和频率对微滴喷射性能的影响进行了研究。研究结果表明,随着驱动电压脉冲宽度的增大,所形成的液滴速度和直径呈先增大后减小,微滴喷射过程存在最佳电压脉冲保持时间;随着驱动电压脉冲幅值的增大,所形成的液滴速度和直径均增大;随着操作频率的增大,在一定范围内,液滴速度和直径几乎不受影响,但频率过大时,喷射会发生混乱。     

实验研究脉冲强激光在铝靶中诱导的冲击波

利用自行研制的ＰＶＤＦ压电膜传感器实时测量了高功率密度脉冲激光辐照到铝材料表面时在靶材中诱导的激光冲击波压力，通过对不同厚度靶板背面冲击波压力的测量获得了激光冲击波在铝材料中的衰减规律，并在ＧＷ／ｃｍ２量级的范围内研究了激光冲击波峰压随激光功率密度的关系     

基于MC34063控制的压电陶瓷泵电源研制

针对应用于输出电压较小(12～18 V)的燃料电池系统中压电陶瓷泵的驱动问题,在建立压电陶瓷泵的数学模型的基础上提出并研发了一种新的压电陶瓷泵驱动电源.该电源采用MC34063控制芯片控制Boost变换器升压和全桥变换器功率放大,给压电陶瓷泵提供±150 V方波电压,并使陶瓷泵工作在很宽的频率范围(10～100 Hz).对一压电陶瓷泵的特性实验的研究表明此新型驱动电源输出精度高,响应速度较快,驱动能力强.     

悬臂梁基底对压电俘能器输出响应的影响分析

悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了 研究在1.5~5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响,该文选择聚氯乙烯（PVC）、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯（PVDF）压电悬臂梁结构,并进行了对比实验与分析。结果表明,以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现,在低风速工况下,梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下,梁的结构刚度越小,接触式压电俘能器的启动风速越低,风致振动的激振力频率越高;减幅因数越小,悬臂梁的输出功率越大。     

实验研究脉冲强激光在钛合金靶中诱导的冲击波

利用PVDF压电膜传感器实时测量了高功率脉冲激光辐照在钛合金靶材中诱导的激光冲击波压强,通过对不同厚度靶材的背面的冲击波压强的测量获得了激光冲击波在钛合金中的衰减规律。     

基于恒流源的改进型压电陶瓷高压驱动电源

恒流源压电陶瓷驱动电源具有结构简单及频响好等优点,但静态功耗高是其突出缺点。该文提出了一种改进的恒流源压电陶瓷驱动电源,在静态功耗一定的情况下,提高了其动态输出能力及竞争能力。该改进型压电陶瓷驱动电源的样机具有2.4~300V的输出电压范围,在静态恒定电流为0.1A时,动态输出电流最大可达0.44A。基于恒流源的高压驱动电源,驱动电压主要由驱动管的耐压决定,原理上可得到远高于现有高压运放的水平,在高压压电陶瓷驱动方面有广阔的前景。     

PVDF传感器在液体压力激波测试中的应用

针对液体压力激波具有高温、高压和高应变的特点,研制了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的液体压力激波传感器,并通过霍普金斯(Hopkinson)压杆对压电传感器的压电系数进行了精确标定,在此基础上构建了液体压力激波测试系统.在小压力幅值下,与水听器进行了对比测试试验,测试结果具有很高的吻合性,在满量程(0.1～1.0 MPa)内,与水听器偏差在5%范围内;大压力幅值下,通过对单元和多阵元液体压力激波发生器系统的测试,掌握了激励电压、脉冲频率、阵元个数等对激波的影响规律,为液体压力激波加工系统的改进和工程应用提供了试验依据.     

基于压电波动测量的套筒灌浆缺陷检测试验

套筒灌浆连接是当前装配式建筑中受力钢筋的主要连接方式,其灌浆质量是影响装配式混凝土结构性能的关键因素之一。运用压电陶瓷材料的驱动和传感功能,该文提出了一种基于波动分析的套筒灌浆缺陷主动检测方法,并通过试验验证其可行性,通过数值模拟分析其机理。在套筒连接钢筋表面粘贴压电片,测量健康试件和设置有不同尺寸缺陷试件上压电陶瓷传感器的输出信号,并对小波包能量进行分析和比较。结果表明,灌浆缺陷导致压电陶瓷传感器输出信号的电压幅值增大,小波包能量指标与套筒灌浆缺陷尺寸大小相关。该法能对套筒内灌浆缺陷进行有效检测。     

面向负载功率的压电悬臂梁研究

基于电路负载阻抗匹配原理,为最大程度利用压电悬臂梁发电装置收集环境振动能量,保证压电悬臂梁外接负载能够正常工作,需要研究压电悬臂梁结构参数对其最佳输出功率以及相对应外接负载匹配阻值的影响。该文通过压电电路分析,研究了基板和压电陶瓷片的长度、厚度、宽度和质量块质量对压电悬臂梁最佳输出功率以及相对应负载匹配阻值的影响。结果表明,一定范围内,增加基板长度、压电陶瓷片厚度、质量块质量可以增加压电悬臂梁外接负载匹配阻值,增加基板厚度、压电陶瓷片长和宽可降低压电悬臂梁外接负载匹配阻值;随着基板长度、压电陶瓷片宽和长、质量块质量的增加,压电悬臂梁最佳输出功率得到显著提高,基板宽度对压电悬臂梁最佳输出功率基本无影响,增加压电陶瓷片的厚度,压电悬臂梁最佳输出功率先增加后降低,存在一个最佳输出功率。     

PVDF压电薄膜传感特性研究

聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种压电高分子材料,它具有独特的压电效应,被广泛应用于振动测量等各个领域。但对于压电薄膜在受到外加应力时其输出特性的研究较少。该文理论分析了PVDF压电薄膜的传感机理和电路等效模型;然后利用COMSOL软件进行仿真;最后实验研究了PVDF压电薄膜在不同激励振幅、激励频率及外加应力下的动态响应。研究结果表明,压电薄膜输出信号的幅值与薄膜振幅成线性关系,与所受外加静态应力无关。     

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。