基于ANSYS的新型聚合物石英压电传感器振动性能分析

新型聚合物石英压电传感器制备过程中,AT切型石英压电传感器基体的表面粗糙度及其基膜界面化学性质影响聚合物薄膜的生长,导致聚合物薄膜厚度不均匀、表面存在缺陷,使得传感器采集的频率信号不稳定.本文建立了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜厚度不均、中心缺陷条件下的力学模型,利用ANSYS有限元软件对其进行模态分析,得到复杂条件下传感器振动特性.模态分析结果发现,传感器固有频率值随聚合物薄膜缺陷的半径值增大呈现出从稳定到发散的趋势、随薄膜的厚度值增大呈现出线性增大的趋势.研究结果表明,新型聚合物石英压电传感器的生产应确保薄膜厚度均匀且严格控制中心缺陷半径小于0.5 mm,该结果为制备稳定的新型聚合物石英压电传感器提供了重要依据.     

一种基于率相关回滞的压电带载驱动建模方法

以压电驱动器为代表的智能材料驱动器,以其能实现微纳米级精密驱动的优势逐步在精密装备中得以应用,但其内部的回滞非线性在微纳米级驱动性能要求下成为限制精度提升的瓶颈.文中以压电驱动器为研究对象,在不同输入信号频率的条件下研究其带载输出特性,结合压电驱动器的机电特性,提出了一种压电驱动系统带载环境下的建模方法.该方法基于率相关Prandtl-Ishlinskii(RDPI)回滞模型,同时考虑工作频率增加时载荷对系统输出所造成的影响,以克服常规RDPI回滞模型无法表征带载条件下输出特性的局限.结合压电驱动系统带载2. 94 N工作条件,完成1～80 Hz驱动频率范围的实验验证.结果表明,文中提出的建模方法能有效地反映压电驱动器在带载环境下的输入-输出特性.     

基于刚架的压电驱动器驱动力试验研究

压电材料是一种新型智能材料,利用压电材料制成的压电驱动器具有良好的主动驱动效果.据此开展了基于刚架的压电驱动器驱动性能的试验研究.研究表明,压电驱动器的驱动力与输入电压大致呈线性关系,增加预紧力能在一定程度上提高驱动器的驱动力.在试验的基础上,应用数据分析软件,对压电驱动器的驱动力与输入电压之间的理论关系进行了数据拟合,建立了"驱动力一电压"控制方程.研究成果可为实现基于压电驱动器的智能结构主动控制提供基础数据.     

压电陶瓷驱动器的力输出特性

目的研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性,为压电陶瓷驱动器力输出方面应用提供理论依据.方法首先,设计一种压电陶瓷力输出性能测试装置;然后,对预压力施加速度、施加预压力与电压的间隔时间、装置设计等外界因素对力输出特性影响进行分析;最后,使用最大输出力、平均迟滞度、最大曲线偏差值、曲线漂移量和曲线周期延迟量等多个评价指标,对PSt/150/4/7VS9型压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作、电压步长等条件下的力输出特性进行实验分析.结果压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1 Hz的电压频率条件下输出效果最好,最大输出力可达到116.56 N,平均迟滞度为10.74%,曲线最大偏差为3.89%,曲线漂移量为-0.47 N;过多次循环工作会造成迟滞曲线的重复性变差和延迟累计增大现象;相同电压步长下,力输出增量随着起始电压的增大而增大.结论实验结果符合电畴翻转理论,且压电陶瓷驱动器具有力输出最佳工作条件.     

高频热声制冷机中的压电驱动器

为了研究压电驱动器与热声谐振腔间的耦合特性,建立了压电驱动系统的网络模拟模型。根据压电片的简支和固定两种边界条件,对压电驱动器及(热)声谐振腔声负荷系统的频率和电压特性进行了模拟计算。研究结果显示在高频时系统元件间的耦合特性较低频时好,具有简支边界的压电片产生的声压级比固定边界的要大得多,声压级随输入电压的变化特性计算与实验是相一致的。该模型可用于热声制冷机中压电驱动系统的特性分析。     

线性变厚度压电层合矩形板的非线性弯曲

研究在横向载荷作用下线性变厚度正交对称铺设压电层合矩形板的非线性弯曲问题.基于Von Karman非线性板理论和线性压电理论,建立线性变厚度正交对称铺设压电层合矩形板的无量纲非线性平衡微分方程,且应用Galerkin截断方法进行求解.算例中,具体讨论了不同坡度、边长比、控制电压和压电层位置对四边简支正交对称铺设压电层合矩形板的非线性载荷-挠度特征曲线的影响.     

压电智能驱动器力学模型的建立及数值模拟

基于PZT逆压电效应和结构动力学波动原理,建立粘贴式PZT驱动器与主体结构耦合简化力学模型及数学模型;考虑粘结层阻尼效应,建立PZT驱动方程并求解输出力表达式,确定驱动器力学与电学特性的对应关系;通过胶层材料特性、传递的切应力及其厚度变化对PZT驱动性能的影响进行算例分析,拟合出胶层传递剪切力与胶层厚度关系曲线,证明了运用所建立的驱动模型能有效地模拟检测PZT的逆压电规律,可为利用压电智能驱动器控制工程结构检测提供理论依据.     

基于PZT-Si的MEMS微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,该具有结构简单,响应速度快,输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用性能寿命,本文根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明：相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的“硬陶瓷”PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的“软陶瓷”PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合, 为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

基于PZT-Si的微机电系统微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,具有结构简单、响应速度快、输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用寿命,根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明:相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的"硬陶瓷"PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的"软陶瓷"PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合,为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

溶胶-凝胶法制作PZT薄膜微驱动器的工艺研究

使用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备了PZT压电薄膜,利用PZT的压电效应制作以PZT薄膜为驱动的无阀型微驱动器.针对微驱动器的关键结构驱动膜,探索了多层驱动膜的制备方法及PZT薄膜的刻蚀工艺.采用Si/SiO2/Ti/Pt/PZT/Cr/Au多层驱动膜结构,解决了PZT薄膜制备中存在附着力、抗疲劳等问题,利用BHF/HNO3溶液实现了PZT薄膜刻蚀技术的半导体工艺化.同时详细探讨了微机械加工(MEMS)中温度及溶液浓度对腐蚀工艺的重要影响,给出了硅各向异性腐蚀的最佳化工艺条件.通过以上方法成功地解决了集成制作的无阀型微驱动器的关键工艺问题,降低了器件的复杂性.采用以上工艺得到的驱动器硅杯面积大、均匀、平坦,而且在无阀型微驱动器整体设计中没有可以移动的机械部分,所以微驱动器的寿命也得到了提高.     

介电弹性体驱动器动态电压下的变形特征及击穿行为研究

针对介电弹性体(DE)驱动器驱动性能难以预测的问题,以VHB4910薄膜为待测DE材料,圆形DE驱动器作为研究对象,针对低频条件下(0.1～10Hz)DE驱动器的动态变形与击穿行为展开了实验研究。搭建了力电耦合实验测试平台,通过实验归纳了驱动电压参数对DE驱动器动态变形和击穿的影响规律。实验结果表明:DE驱动器的动态变形平衡位置受到电压幅值的影响,动态变形的振幅则受到电压频率和幅值的共同制约。动态击穿电压的数值分散性强,难以得到明显的规律特征,因此不能准确对动态击穿行为进行表征,而通过实验发现DE驱动器能承受的电压循环周期数会受到多种驱动电压参数的显著影响,故提出采用电压循环周期数对动态击穿行为进行分析。借鉴机械循环载荷下的经典疲劳曲线方程,提出利用名义静电应力幅值代替机械应力幅值、对DE驱动器在动态电压下的电致疲劳寿命曲线进行拟合的方法,以期为动态电压作用下DE驱动器的寿命预测提供一种新思路。     

记忆合金/Si复合膜驱动性能的力学建模与仿真

在考虑记忆合金材料非线性的基础上,按照材料力学的方法联立静力学、变形几何及物理的三者关系,建立了热载荷作用下记忆合金薄膜与Si基底相互耦合作用的力学模型.通过对一个完整的热循环过程中NiTi记忆合金/Si复合膜驱动性能的模拟和讨论,结果表明,由于相变的作用,以Si为基底的记忆合金薄膜能在较窄的温度范围内产生大的驱动力及位移.通过对不同厚度比情况下复合膜最大挠度的研究发现,随着Si基底与记忆合金薄膜厚度比的增大,复合膜的最大挠度逐渐减小;当两者厚度比大于5时,本模型对记忆合金/Si复合膜驱动性能的描述和预测更精确.     

基于绝对节点坐标法的压电驱动复合结构动力学特性

软体机器人的驱动一般由较硬的驱动元件与柔性介质复合而成,两相材料耦合大变形的精确描述是驱动部件结构设计与运动控制的关键.针对复合柔性板结构大变形的特点,基于绝对节点坐标方法,通过变形协调条件将梁和板单元进行耦合,同时引入压电驱动材料本构方程,建立带压电材料驱动器的复合柔性板结构动力学模型,并对其动力学特性进行分析,以研究不同参数对该动力学模型的影响.结果表明:柔性悬臂板结构在压电驱动作用下产生弯曲变形,变形量及板末端位移随驱动电压的增大呈近似线性增大规律,且板结构弹性模量越小则该变形量增大的程度越大;随着弹性模量减小,板结构产生的周期性振动幅度增大,周期变长.     

不同力和温度对PVDF压电薄膜压电系数的影响

为揭示在不同力和温度条件下PVDF压电薄膜介电常数的特性,利用MTS伺服液压试验机和分离武Hopkinson压杆装置对PVDF压电薄膜施加了不同形式的载荷,试验采用的温度是在293-363 K之间.为将PVDF 压电薄膜所感受的电荷量转成电压.制作了源跟随测量电路,问接获得压电系数D33.结果表明:(1)低噪声源跟随电路可有效测量PVDF 薄膜输出;(2)PVDF压电薄膜的压电系数D33对温度很敏感;(3)D33值在加载初始阶段波动很大,所以实际应用中应给PVDF提供一个预压载荷,以确保有一恒定的压电系数D33;(4)当压载荷沿倾斜方向作用在PVDF 表面时,由于有剪切力作用,D33 值会随着倾斜角的变化发生显著改变;(5)PVDF 薄膜具有很宽的频响,更适用于测定不同载荷条件下的侵彻或冲击等动态载荷.     

蠕变地层中含缺陷套管外挤压力分布的数值模拟

将蠕变地层视为粘弹性体,分别采用Maxwell粘弹性模型和线性强化弹塑性模型,建立了含缺陷套管-水泥环-蠕变地层有限元计算模型,旨在应用数值方法模拟在地质和工程因素及其联合作用下含缺陷套管外壁所受蠕动压力的分布规律,并对这类套管抗非均匀载荷的能力进行了有限元分析.采用逐步超松弛(SOR)迭代法进行了计算,为加快收敛速度,计算程序支持最佳松弛因子的自动快速搜索.算例分析表明,非均匀地应力条件下,最大地应力方向上套管外挤蠕动压力最小,而最小地应力方向上套管外挤蠕动压力最大;磨损缺陷改变了均匀载荷下套管外挤蠕动压力的分布规律,磨损处蠕动压力明显增大;与非均匀载荷相比,磨损是影响套管外蠕动压力分布更为敏感的因素.该数值结果可为复杂条件下含缺陷套管强度设计提供理论指导.     

仿昆扑翼微飞行器中压电驱动器的性能参数分析

针对仿昆扑翼微飞行器中压电驱动器的使用要求,采用复合材料的层合板理论和将能量法与实验法相结合的方法,推导了压电驱动器的静态位移、阻力、等效质量、刚度和阻尼系数的计算公式,得到压电驱动器的二阶集总参数模型.驱动器位移测试结果表明,利用推导公式计算所得位移的理论值比实测值小.同时,利用传递函数绘制的伯德图所得压电驱动器共振频率为2.540kHz,与理论公式计算结果的误差仅为0.5%,从而验证了所建立计算模型的正确性.     

一种新型径向复合阶梯盘形压电变压器

提出一种新型径向复合压电陶瓷变压器,并应用等效电路方法对阶梯金属圆环和厚度极化的压电振子的径向振动,以及阶梯厚度比与最大电压增益及机电耦合系数的关系进行分析.得到的此变压器的等效电路,推导出输入阻抗、共振频率、反共振频率、电压增益和功率效率的解析解,并将计算所得的共振频率、反共振频率与ANSYS模拟结果进行比较验证.结果表明:变压器在共振频率驱动下获得最大电压增益,在共振频率和反共振频率下获得最大功率效率;电压增益和功率效率在固定频率下,都存在着最佳负载.     

复合材料构件气动载荷响应主动控制技术研究

飞机由于高频涡流的作用，局部复合材料构件承受面外脉动冲击载荷，产生累积疲劳损伤。本文采用１３型压电片粘贴在复合材料构件表面，测量构件在交变气动载荷下的应变，应用自适应振动前馈控制原理，施工加电压主动控制压电驱动器的变形，实现对复合材料构件的应用变驱动，     

气动多向柔性驱动器形变与驱动特性

设计一种片状约束环套装5个密封弹性腔体和弹簧的气动多向柔性驱动器，分析驱动器受力和力矩，建立气压与轴向伸长量、驱动力、弯曲方向的非线性理论模型.通过试验与理论模型对比，获得驱动器在不同气压下的形变与驱动性能关系.结果表明：通过控制通入气体压力，可以控制驱动器产生不同程度的形变与驱动力；气压越大，形变与驱动力越大；该驱动器具有较高的灵活性和良好的驱动性能，改变通气方式，驱动器可以完成轴向伸长和空间多个方向的弯曲变形；0.23 MPa气压下驱动器轴向伸长量为137 mm,伸长率超过100%,弯曲角度达225°,轴向驱动力为242 N,弯曲夹持力为169 N.     

基于IPMC驱动器的小型遥控机器鱼的研制

IPMC智能材料具有驱动电压低、响应形变高的特性.利用这种智能材料为驱动器,设计了一种小型遥控机器鱼.该机器鱼可以由红外电视遥控器遥控,通过改变加在IPMC材料上的驱动电压的幅值和频率来控制机器鱼的游动方向和游动速度.在实验过程中,分别比较了在正弦波激励和方波激励下机器鱼的游动速度的差异,同时验证了驱动信号的幅值与频率对机器鱼游动速度的影响.通过实验有效地证明了IPMC材料作为驱动器的可行性.