压电陶瓷支承对梁的横向振动与支反力抑制作用EI北大核心CSCD

当多跨结构受到横向载荷产生振动时,支承与基座衔接处往往产生较大的支反力。针对该问题,以双支承的梁系统为例,基于压电换能原理,采用柱状压电陶瓷支承作为减振元件,并对其减振效果进行了理论分析。利用Hamilton原理推导了压电机电耦合边界条件下该系统的振动微分方程。结合有限元法和偏微分方程数值计算方法,对不同种类压电材料的机电耦合系统进行了模态分析和动力学响应计算。计算结果表明,压电陶瓷支承可以有效抑制多跨结构中支承传递到基座的振动和支反力。     

基于压电分流阻尼技术的新型减振环的参数优化分析

基于压电分流阻尼技术,设计了一种采用压电堆叠的新型减振环。该减振环可以有效降低传动系统通过轴和轴承传递到支承的振动,同时避免压电堆叠承受切向应力,增加了压电堆叠的使用寿命。提出了新的压电减振环被动控制理论模型,根据压电堆叠的压电方程和机电耦合特性推导了减振环的复刚度和系统的力传递率函数。提出了三种外接电路形式,根据系统力传递函数使用MATLAB程序优化分流电路中电子元件的参数。通过数值仿真计算,可以得出安装减振环后系统力传递率函数峰值明显降低。说明减振环对轴承-支承系统具有很好的减振效果。     

智能桁架机电耦合动力分析与振动控制

把作为主动杆全部或部分的压电陶瓷作动／检测元件视为多层迭合体，从机电耦合弹性理论出发，利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理建立了智能桁架结构机电耦合有限元动力分析模型，可用于机械／电载荷共同作用下的结构静／动力分析和振动控制系统设计。同时给出了元件的作动／检测方程，并以压电作动元件输入电压作为控制量，利用结构状态空间方程进行振动系统最优反馈控制律设计。算例表明该分析方法是可行的。     

智能桁架机电偶合动力分析与振动控制

把作为主动杆全部或部分的压电陶瓷作动／检测元件视为多层迭合体，从机电耦合弹性理论出发，利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理建立了智能桁架机构机电耦合有限元动力分析模型，可用于机械／电载荷共同作用下的结构静／动力分析和振动控制系统设计。同时给出了元件的作动／检测方程，并以压电作动元件输入电压作为控制量，利用结构状态空间方程进行振动系统最优反馈控制律设计。算例表明该分析方法最可行的。     

基于压电分支阻尼技术的航空发动机叶片振动抑制方法研究

开展基于压电分支阻尼技术的叶片振动抑制方法研究。首先,对于叶片结构和压电陶瓷构成的机电耦合系统,研究其有限元动力学建模方法及模型减缩技术;其次,分析了经典的谐振分支电路以及含负电容的电感-电阻分支电路的原理和方法;最后,实际构建上述压电分支电路,重点研究了大电感和负电容的物理实现方法,并通过实验考察压电分支阻尼对某型航空发动机压气机叶片结构振动抑制的效果。实验结果表明:该建模及分析方法引入了压电陶瓷“等效电容”的概念,能够准确地预测叶片-压电陶瓷机电耦合系统的动力学特性,具备处理实际复杂叶片结构的能力;谐振分支电路在抑制叶片单阶模态振动方面效果显著,负电容的引入能够有效地增强压电分支阻尼效应。     

压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的径向振动

对由压电陶瓷圆环与金属圆环组成的复合振动系统的径向振动特性进行了研究。首先分析了压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动,推出了其各自的机电等效电路。在此基础上,得出了压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了系统的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系。研究表明,当复合振动系统的壁厚比增大时,其共振及反共振频率升高。对于换能器的第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大而单调减小;对于换能器的第二阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大会出现一个极大值,而且,在一定的壁厚比范围内,换能器第二阶径向振动的有效机电耦合系数大于第一阶径向振动的有效机电耦合系数,这一规律与传统的有关压电换能器的分析理论及结果是有所不同的。     

基于剪切振动模态的压电复合材料应用于水声换能器的研究

压电陶瓷的剪切振动模态因其独有的剪切形变和高压电常数、高机电耦合系数以及介电常数低等特点,在压电俘能器、新结构复合材料换能器方面有着不俗的表现。通过设计具有特殊结构的过渡层,探索压电陶瓷剪切振动的利用方法,将压电陶瓷产生的剪切振动转化为复合材料的厚度振动,以此来满足水声换能器的要求,进而提高复合材料的压电性。通过有限元分析和实验验证,研究了该设计中结构参数、过渡层材料种类对复合材料整体性能的影响。     

矩形压电振子的多维耦合换能器理论

利用表观弹性法推导了矩形断面压电陶瓷长条和矩形压电薄板振子的二维耦合振动理论并给出了各振子的总导纳方程、多维耦合下的机电转换系数等,由总导纳方程计算了频率常数随振子几何尺寸的变化曲线。所得结果与有限差分法和有限元法的结果相当满意地符合。 这种方法比其他方法简单,可用于压电陶瓷参数的修正,复合压电振子和非压电振子的耦合振动的计算。     

压电层合板高阶计算模型

压电复合(层合)结构可应用于结构振动控制、形状保持、健康监测等,建立压电层合结构精确的机电耦合计算模型成为了研究的焦点.针对表面粘贴或内部嵌入压电片的压电层合板结构,基于高阶位移场和高阶电势模型,根据Hamilton原理建立了机电耦合高阶有限元模型.该模型适用于薄板和中厚板,并且能够捕捉压电层内沿厚度方向呈抛物线型分布的诱导电势.以压电双晶片简支板为例,进行了作动器构型和开环、闭环状态传感器构型的数值分析.结果指出,诱导电势对压电传感器有重要影响,而压电作动器可忽略这种电势.     

多稳态压电振动能量采集器的动力学模型及其特性分析

提出了一种双线性弹性元件耦合的多稳态压电振动能量采集器,利用线性弹性元件的大变形引起采集器结构几何构型的变化,使采集器产生单稳态、双稳态和三稳态等非线性振动特性,达到提高能量采集器输出性能的目的。建立了双线性弹性元件耦合压电振动能量采集器的非线性恢复力模型,基于该模型,利用Rayleigh-Ritz模态分析法和能量守恒原理建立了能量采集器的集总参数机电耦合动力学模型,通过对动力学模型无量纲化处理后,仿真分析了系统参数对能量采集器的静力学特性(如非线性恢复力、势能、静态平衡点及其分岔)和动力学特性(振动位移、速度、相图、采集电压等)的影响。有限元计算结果验证了该仿真分析结果的正确性。研究结果表明:系统参数α=β≠0时能量采集器表现出光滑连续的单稳态、双稳态和三稳态等动力学特性,其中双稳态和三稳态振动时的能量采集输出功率比线性能量采集器高。     

一种埋入型PZT的三维等效机电阻抗模型——第一部分:理论

基于压电陶瓷(PZT)圆片三维耦合振动原理,建立了埋入型PZT传感器与基体结构相互作用的三维等效机电阻抗模型,扩大了机电阻抗(EMI)技术的应用范围。通过引入等效机械阻抗,利用压电材料的压电效应,得到了PZT与结构耦合的电导纳方程。这一方程明确体现了PZT机械阻抗与结构机械阻抗对耦合电导纳的贡献。由此电导纳方程,可以得到自由PZT电导纳曲线,为结构等效机械阻抗的提取提供了基础。     

压电组件嵌入式风洞模型支撑系统振动主动控制仿真

吹风试验时风洞模型支撑系统往往会产生较大振动,这将影响到风洞试验的准确性和可靠性。因此,研究并实现模型支撑系统的振动控制技术尤其重要。基于压电材料机电耦合行为和振动主动控制原理,设计压电组件嵌入式风洞模型支撑系统;依据刚柔耦合动力学理论,建立模型支撑系统结构振动仿真模型;联合经典PID控制算法,进一步构建模型支撑系统结构控制一体化仿真模型,实现系统主动振动控制仿真;最后,计及接触非线性环节,建立压电组件嵌入式结构有限元模型,校核接触强度,优化嵌入型式。仿真结果表明,压电组件嵌入式模型支撑系统振动控制效果明显,结构安全可靠,具有较强的工程应用性。     

支承运动情况下旋转梁的刚-柔耦合振动分析

利用哈密顿原理建立了支承运动情况下旋转梁的刚-柔耦合振动非线性动力学方程组及边界条件。根据假设模态法，利用边界条件以及模态函数的性质，得到一组模态坐标与刚性角位移耦合时变系数常微分方程，运用数值方法比较了非耦合和耦合时刚性角位移的结果，计算了梁的动力响应并分析了模态截断的影响，最后运用梁端部弹性振动的相轨迹分析了该时变系统的稳定性。     

压电复合材料结构的减振/致动性能优化

压电复合材料由于其优越的机械能-电能转换能力，既可用于吸收结构振动能量进行减振，也可施加电压进行致动，但是针对减振与致动性能的设计异同点未被探讨与研究。针对碳纤维-玻璃纤维-压电纤维组成的多层压电复合材料结构的减振及致动性能进行设计与优化，给出了相应的结构铺层建议及优化结果。所设计的复合材料结构包括多层单向混合纤维复合基底和分布式压电片两个主要部分，基底中碳纤维、压电纤维和玻璃纤维对称铺设，压电片贴于基底最外层。基于Euler-Bernoulli梁理论及Hamilton原理推导了压电复合材料结构的机电耦合模型并分析其动力学特性。通过对比不同铺层顺序下结构的减振与致动性能，得到了混合控制结构的最佳铺层顺序。在此基础上，使用遗传算法对分布式压电片贴附位置和整体复合结构中的铺层角度进行优化，分别提升了结构的减振和致动性能。结果表明，分布式压电贴片在最外层时减振效果最好，压电层在内部时致动能力更优。压电贴片的贴附位置优化后，相比于在高应变区贴附的经验布置策略，前三阶模态减振性能分别提升了0.67 dB、0.77 dB及1.87 dB;碳纤维和玻璃纤维铺层角度分别为90.001 5°、53.06...     

非规则封闭声腔在PVDF压电薄膜激励下的响应分析

在噪声主动控制领域,尽管PVDF压电薄膜相对于压电陶瓷而言应变压电常数以及扬氏弹性模量都较小,很少作为作动器使用,但由于它具有良好的柔韧性,能够大面积地覆盖在结构表面,产生大范围的分布应力,能承受较压电陶瓷大得多的电压,因此是一种很有潜力的作动器.为了分析PVDF压电薄膜对于非规则封闭声腔内部声压的控制机理,本文研究弹性边界上有一对压电薄膜作动器激励的非规则封闭声腔响应特性.文中首先以弹性边界的振动方程以及经典波动方程为基础,描述了结构-声之间的耦合作用;然后结合压电薄膜本构方程和弹性边界振动方程,给出了机电耦合的描述.结合这两种描述,本文给出了整个系统在输入交变电场的作用下,如何通过压电薄膜对结构的作用将激励传递到内部声场的理论分析,并且给出了仿真结果.     

圆柱形压电振子的多维耦合换能器理论

利用表观弹性法讨论了有限长实心和空心压电圆柱振于的三维耦合振动理论,并给出了各振子的总导纳方程、频率方程和多维耦合下的机电转换系数等。由总导纳方程计算了频率常数随振子几何尺寸的变化曲线,所得结果与用里兹变分法得到的结果相当一致,也与实验结果相吻合。此方法可用于圆柱形压电陶瓷参数的修正以及复合压电振子和非压电振子耦合振动的计算。     

1-1-3型压电复合材料的振动模态研究

对1-1-3型压电复合材料进行了振动形态的分析。1-1-3型压电复合材料选用PZT-5H、硅橡胶和环氧树脂制备而成。从制备的两组样品的实验证明该复合元件相比传统的1-3型压电复合材料具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗。通过PSV-400型激光测振仪测量其振动形态,发现其中压电陶瓷柱的振动为主动振动,模态为电场平行于长度方向的纵向伸缩模态。该结构的复合元件充分发挥了压电柱本身的压电性能,进而提高了整个元件的压电性能,使得该复合元件更适合应用于水声换能器。     

基于阻振质量的船舶基座结构减振性能分析

船舶动力设备产生的振动主要通过基座结构传递到船体，对基座区域进行减振设计是降低动力设备振动传递的有效措施。针对某型船舶动力设备的基座结构，研究振动波在阻振基座结构中的传递特性，分析阻振阻尼复合基座结构的减振性能。研究结果表明：阻振阻尼复合基座结构可有效提高基座结构的减振性能，采取阻振质量的基座输出端加速度振级降低1.2 d B，采取阻振阻尼复合基座输出端加速度振级降低4.1 dB。研究结果可为基座结构的减振设计提供参考。     

参数和直接激励下附加端部质量块悬臂梁压电俘能器的多尺度法非线性分析

考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,通过Hamilton变分原理,建立了一个附加端部质量块悬臂梁压电俘能器在受到参数和直接激励下的非线性机电耦合的运动微分方程。压电俘能器为压电双晶片悬臂梁结构。利用Galerkin法,非线性机电耦合的偏微分方程被降阶为非线性机电耦合型Mathieu-Duffing方程。为了研究俘能器在其主要的一阶共振情况下的响应,采用了多尺度法获得了梁的位移、输出电压和输出功率的解析表达式。利用解析表达式研究了参数激励和直接激励共同作用下阻抗,阻尼系数和端部质量块等对压电俘能器性能的影响。     

材料和结构参数对悬壁梁式压电振子机电耦合性能的影响

对材料和结构参数对压电和基板不等长的矩形截面悬臂梁式双晶压电振子机电耦合性能影响进行研究。由Hamilton原理推导了压电振子振动方程模型,并试验验证了模型的准确性。理论分析显示,当电路阻抗匹配时,转换效率最大,且当粘性阻尼系数相同时,最优转换效率随着机电耦合系数增大而增大。压电振子机电耦合系数和压电材料机电耦合因子成正比;随着压电与基板模量比增大,机电耦合系数增大;压电与基板密度比对机电耦合系数影响微弱;机电耦合系数随压电与基板长度比和厚度比都呈先增后减趋势,存在最优长度比和厚度比使机电耦合系数达到最大值。结构优化后的机电耦合系数随模量比的增加而增大;不同模量比和密度比条件下,最佳长度比变化较小,总体变化范围为0.6~0.7;模量比对最佳厚度比影响显著,随着模量比增大最佳厚度比减小。研究成果可用以指导压电振子的设计。