压电石英晶体扭转效应的ANSYS分析

在通过各向异性弹性理论和麦克斯韦理论研究Y 0°切型石英晶片的扭转效应,得出其扭转应力场和非线性极化电场分布的基础上,利用AN SY S的耦合场分析验证了压电扭转效应的存在.通过建模、划分网格、求解和后处理几个典型的步骤得到Y 0°切型石英晶片的应力值和极化电压,显示其与所加载的扭矩值成明显的线性关系.而采用分割电极的方法进行实验,其数据也证明了理论分析及有限元分析的正确性.     

极性液体电介质旋转椭球极化模型

在油与水的混合电解质中,水比油的极性强,为极性液体电解质．当油中含有少量水时,水以悬浮胶粒状、粒径为1×10-4cm的小水球形式存在于油中．当外电场作用时,油中小水球被极化,它的形状发生改变,在电场方向被拉长而成为椭球,束缚电荷分布在椭球表面．作者对极性液体电介质进行了研究,根据水球被拉长的实际情况和椭球的性质,建立了旋转椭球极化模型,在该模型基础上,把束缚点电荷的电场折合到椭球中心的电场,推导出椭球中心有效极化电场的场强公式,给出了旋转椭球表面束缚电荷在椭球中心的极化电场强度E1″．研究结果表明极化电场强度与旋转椭球的长、短半轴之比的平方有关,呈非线性,比圆球模型的电场强度P/(3ε0)复杂;由旋转椭球极化模型得到的结果用于研究混合电介质的“气桥”或“水桥”击穿现象,更能反映其物理本质．     

基于ANSYS Workbench的柔性压电发电装置的仿真分析

为了研究压电体在海洋中受迫振动发生形变产生电场的复杂问题,以柔性压电发电装置为例,选择聚偏氟乙烯(PVDF)为压电体,利用有限元分析软件ANSYS Workbench进行三维数值水槽的建模以及模拟仿真单个压电片和相邻两个压电片在数值水槽中受力以及压电体周围复杂流场受到压电片运动影响后的变化情况。分析结果表明,在相同的瞬态条件下,单个压电片的最大变形量为94.412mm,产生的电压为1.31V;两个压电片相邻布局时的最大变形量为85.602mm,产生的最大电压为1.19V。     

电场场量在真空和介质中表述的转化

处于静电场中的介质要被极化,极化产生的束缚电荷要产生束缚电场,该电场叠加到原来的电场中,构成静电平衡时的总电场.本文讨论了电场场量在真空中和在介质中表述的转化,说明当把场量中的介电常数0ε从换为ε时,其中已考虑了束缚电荷对场量的贡献,对场量无需作进一步处理即得到介质中场量的表述.     

夹心式扭转-弯曲复合模式压电超声换能器的研究

在均匀截面细棒扭转及弯曲振动理论的基础上,研究了一种夹心式扭转－弯曲复合模式压电超声换能器．该换能器由均匀截面金属细棒及两组极化方向不同的压电陶瓷元件组成．文中导出了换能器的共振频率设计方程,并从理论及实验上实现了同一换能器中扭转及弯曲振动的同频共振．实验表明,换能器的扭转振动共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,实测值与设计值基本符合．     

压电材料中的表面电极

讨论了压电介质表面存在电极时的电学混合边值模型,应用复变函数中解析延拓方法和Reimann-Hilbert等理论,得到在电极作用下产生的应力应变场和电场分布,从而得到混合边值问题的全场解,并研究了压电体存在表面电极时的特性与强度问题。     

压电极化方向对磁电复合振子磁阻抗效应的影响

本文研究了压电体分别沿长度和厚度极化的磁电复合振子的磁阻抗效应.根据压电体的极化理论,在洛伦兹模型和德拜模型基础上,利用磁电耦合理论研究了磁电复合振子有效相对介电常数与磁场的关系,数值模拟了有效相对介电常数随磁场的变化.由磁电复合振子的磁阻抗与有效相对介电常数的关系,理论分析了磁电复合振子在谐振频率下的磁阻抗效应.在理论分析基础上,实验研究了"三明治"结构磁电复合振子的磁阻抗效应.实验结果表明,在谐振频率下,磁场在0～50 mT范围内,当压电体的极化方向为长度极化时,其磁阻抗随磁场的变化率是压电体厚度极化的22倍,实验结果与理论模拟基本吻合.在此基础上,对实验结果的磁分辨率进行了计算,在谐振频率下,压电体长度极化磁电复合振子的磁分辨率为2.76×10~(-12) T/μΩ,压电体厚度极化磁电复合振子的磁分辨率为78×10~(-12) T/μΩ,本研究为地磁场的探测提供了理论基础.     

多频扭转夹心式换能器研究

研究了一种可以工作在多个频率段的扭转夹心式换能器．该换能器由前后金属盖板、两组周向极化压电晶堆及电负载组成．分析了接电负载压电圆管的扭转振动特性，推出了其机电等效电路和共振频率方程．利用等效电路方法，给出了换能器的共振频率方程，并得到了换能器的共振频率与负载阻抗曲线，为此类换能器的设计提供了理论依据．该换能器可望应用于超声焊接、超声加工及超声马达等领域．     

铁电陶瓷材料实验研究及应用

介绍了压电晶体材料和热释电晶体的极化强度与外电场的线性关系。并通过检测设备(电桥、示波仪、数字表)验证了线性电介质和铁电晶体是典型的非线性电介质外,其极电强度与外电场的关系呈非线性。特别是在具体温度范围内具有自发极化,而且共自发极化强度在电场中与电场强度有常规的电滞回线的形式     

基于分子动力学的P(VDF50-TrFE50)高电场极化仿真

P(VDF-TrFE)类共聚物具有优异的铁电性能,可用于制作柔性压电传感器。在试验研究中,通常采用高电场极化来增强其压电效应。为了研究该共聚物的传感特性,本文利用分子动力学模拟软件Materials Studio(MS)建立P(VDF₅₀-TrFE₅₀)的三维晶胞模型,模拟高电场极化过程,分析各项极化条件对其剩余极化的影响。结果显示：在高电场强度下,晶胞内的大部分铁电畴在极短时间内完成翻转;P(VDF₅₀-TrFE₅₀)的极化强度与外加电场强度正相关,但当电场强度高于5 V/nm后,极化强度增长减缓;晶胞在低温时保持铁电相而在高温时转变为顺电相;被充分极化的P(VDF₅₀-TrFE₅₀)晶胞的最高剩余极化强度为59.94 mC/m²。该研究表明MS软件具有模拟P(VDF-TrFE)聚合物材料压电特性的能力,可为后续试验研究及传感器制作提供仿真依据。     

压电材料球对称问题的通解

由于压电材料的特殊性，它可以制作成各种压形式的压电振子，压电振子在应用于谐振器滤波器，延迟线，声光器件时，大都是通过逆压电铲应来激发某种振动模式的机械振动。压电中器件可以在各种不同的大小形状及各种各样的载荷和边界条件下工作，对不同的情况应有不同的分析方法。     

无限大压电材料薄板Ⅰ型裂纹断裂分析

研究了含中心裂纹的无限大横观各向同性压电材料薄板的平面问题。利用压电材料平面应变问题的本构方程,通过引入两个适当的函数,将力学问题转化为偏微分方程组边值问题。利用复变函数方法和待定系数法,选取适当的应力函数,借助不可导通边界条件,确定未知系数,得到满足偏微分方程组边值问题的解。推导得到裂纹尖端附近的应力强度因子、应力场、电位移场和位移场、电势场的计算公式。     

无限大功能梯度压电材料中反平面 Yoffe型运动裂纹

假设裂纹面上的边界条件为电渗透型的,从而导出了材料系数在横观各向同性平面内梯度分布的压电体的状态方程;利用Fourier变换给出了无限大压电体中位移、应力、电势、电位移的解析表达式;并求得了裂纹尖端动应力强度因子、电位移强度因子及电场强度因子,分析了不同的非均匀材料系数、几何尺寸及裂纹运动速度对它们的影响.     

功能梯度/压电材料中裂纹对SH波的散射问题

讨论了具有裂纹的无限长功能梯度/压电材料层合的SH波散射问题。在电渗透型边界条件情况下,将考虑的问题通过Fourier积分变换把混合边值问题的求解转化为对偶积分方程,利用Copson方法将得到的对偶积分方程转化为Fredholm积分方程再进行数值求解,得到了裂纹尖端的应力强度因子、电位移强度因子。最后讨论了材料梯度参数、入射角等因素对标准动应力强度因子的影响。     

Problems of antiplane strain of electrically permeable cracks between bonded dissimilar piezoelectric materials

The electrically pcrmeable slit crack within a piezoelectric body is treated as a bonded interface in electrostatics. The electric boundary conditions along the interface should be the continuity of the tangent component of the electric field strength and the normal component of thc electric displacement. Using such boundary conditions, the problems of antiplane strain of collinear cracks between bonded dissimilar piezoelectric materiala are exactly analyzed. Solutions of the complex potentials in a closed form are given for a single and two interface cracks. It is shown from the solutions that the stress, strain, electric field strength and electric displacement have (1/2) type of singularity at the crack tip, and the energy release rate for crack propagation depends only on both stress intensity factor and strain intensity factor.     

基于COMSOL有限元挠曲电圆筒的力电耦合行为分析

挠曲电效应是一种新型的力电耦合效应。不同于压电效应,挠曲电效应是极化对应变梯度的响应,指的是电介质中的离子由于应变梯度的存在打破了反演对称性,从而导致电介质发生极化或者变形的现象。作为一种类似压电效应的机电耦合效应,因其在材料、机械工程、自动化、仪器仪表等学科中的独特优势而受到越来越多的关注。由于目前所有的商业有限元软件中都缺少挠曲电模块,因此挠曲电问题的数值模拟需用有限元自主编程进行计算。得益于COMSOL Multiphysics的偏微分方程模块（PDE模块）,本文展示在COMSOL软件中对考虑挠曲电效应的力电耦合问题直接进行数值模拟的方法。并针对固定边界位移的挠曲电圆筒进行数值计算,与已有的解析解进行对比,验证了有限元数值计算方法的正确性。此外,本文研究了挠曲电系数及材料不同梯度指数对圆筒力电耦合的影响。该工作可以为挠曲电效应数值计算及挠曲电结构设计提供帮助。     

含曲线裂纹的压电材料反平面应变问题

用复函数的Faber级数展开方法 ,通过求解Hilbert问题研究了含任意曲线裂纹的压电材料反平面应变问题 ,获得了问题的解析解和场强度因子。结果表明 ,当边界上仅受应力和电位移载荷作用时 ,应力场与电位移载荷无关 ,电位移场与应力载荷无关。算例中分别给出了圆弧裂纹的强度因子和椭圆弧裂纹问题的无量纲强度因子。     

机电冲击荷载下狭长压电板双共线反平面裂纹的瞬态响应

对机电组合冲击荷载下狭长压电板双共线反平面裂纹的动态响应问题进行了分析.采用积分变换方法将一个电弹性混合边值问题化为奇异积分方程组,进一步利用Gauss-Chebyshev求积公式将其化为一组代数方程,求解这些代数方程并完成拉普拉斯逆变换,获得了裂纹顶端动应力和动电位移强度因子.结合压电陶瓷材料BaTiO,对动应力强度因子进行了数值计算.结果表明:无量纲动应力强度因子随时间T由零迅速增大,很快达到一个峰值,然后缓慢衰减;当T较大时,在其对应的静态值附近作微小振荡.裂纹两端动应力强度因子的峰值随比值b/h增大而增大,且稍右移.本文方法较常用的Fredholm积分方程方法,推导简便、易于数值计算.     

功能梯度压电板条中的电渗透型运动裂纹

基于三维弹性理论和压电理论 ,研究了功能梯度压电板条中的电渗透型运动裂纹问题 .利用Fourier积分变换方法 ,将混合边值问题化为对偶积分方程 ,并进一步归结为易于数值求解的第二类Fredholm积分方程 .通过渐近分析 ,获得裂纹尖端应力、应变、电位移和电场的解析解 ,给出裂纹尖端场各个变量的角分布函数 ,并求得裂纹尖端场的强度因子 .结果表明 ,对于电渗透型裂纹 ,功能梯度压电板条中运动裂纹尖端附近的各个场变量都具有 - 1/ 2阶的奇异性 ,而且与固定于裂纹尖端的运动坐标有关 ;当裂纹运动速度增大时 ,裂纹扩展的方向会偏离裂纹面 .     

半无限大功能梯度压电材料中反平面Yoffe型运动裂纹

基于三维弹性理论和压电理论导出了材料系数在横观各向同性平面内梯度分布的压电体状态方程,进而对材料系数按指数函数规律分布的半无限大压电体中的反平面Yoffe型运动裂纹问题进行了求解.利用Fourier变换给出了半无限大压电体中位移、应力、电势、电位移的解析表达式,并求得了裂纹尖端动应力强度因子、电位移强度因子,分析了不同的非均匀材料系数、几何尺寸及裂纹运动速度对它们的影响.