压电智能薄壁结构电致材料和几何非线性建模与分析

随着压电智能薄壁结构在航空航天领域的广泛应用,对计算模型准确性的要求也越来越高.压电智能结构在强致动电压下会同时发生电致材料非线性和几何非线性,为了给压电智能薄壁结构的设计和应用提供更准确的模型,基于一阶剪切变形假设,同时考虑压电材料非线性本构关系以及多种几何非线性理论(包括冯卡门非线性、中等转角非线性以及大转角非线性),建立了压电智能薄壁结构在强致动电压下的几何非线性有限元模型,并通过已有研究的实验数据验证了模型的准确性.最后,基于电致材料非线性和不同几何非线性模型,进行了平板结构和半圆形压电壳体结构的仿真和分析,显示了同时考虑电致材料和几何非线性的必要性.     

基于非线性的压电层合板弯曲

考虑几何非线性和非线性压电效应,研究了压电材料作为变形驱动器的压电层合板的弯曲,建立了基于非线性的压电层合板的广义本构方程.利用Ritz法得到悬臂压电层合板的弯曲变形与作用电场间的非线性关系.计算分析表明：在强电场的作用下变形会迅速偏离线性结果,此时必须考虑非线性压电效应,而线性分析只适合于低电场的情况.     

基于样条有限点法的压电功能梯度板的动力分析

为了研究热环境中强电场作用下压电材料的电致非线性效应对压电功能梯度(P/FGM/P)板自由振动的影响,基于高阶剪切变形理论,采用压电材料电致非线性本构关系,同时考虑电场和热荷载的作用,通过样条有限点法建立P/FGM/P板动力分析模型,讨论了压电线性与非线性效应的差别,以及热环境中强电场对P/FGM/P板自振频率的控制效果。结果表明:随电场增大,压电线性解与非线性解偏差增大,且偏差大小同时还受边界约束影响。随温度升高,由于板的刚度减小,电场对P/FGM/P板自振频率的控制效果变好。同时也证明了样条有限点法具有编程简便、精度好及效率高等优点。     

挠曲电效应对简支梁式压电传感器性能的影响

挠曲电效应是材料极化强度(或电场强度)与应变梯度之间的耦合关系,对于新型微纳米致动器和传感器的性能具有重要的影响.以纳米简支梁式压电传感器(简称压电简支梁)为研究对象,讨论材料的挠曲电效应对压电简支梁输出电势与挠度的影响.采用电吉布斯自由能密度函数,并根据压电材料线性理论与伯努利-欧拉梁理论,采用变分法推导压电简支梁的控制方程和相应力电耦合边界条件.数值模拟BaTiO3压电简支梁在外加机械载荷作用下,由于挠曲电效应产生的诱导电势和极化强度等与梁结构、材料参数的相互关系.计算结果表明,诱导电势反馈作用在梁的表面引起一个与机械载荷作用相反的弯矩,减小了梁结构的弯曲挠度;在一定的挠曲电系数和梁结构尺寸下,诱导电势存在最大值;在微纳尺度上挠曲电效应具有很强的尺寸依赖性,随着梁的厚度增大,挠曲电效应的影响将显著减弱.     

强电场和机械荷载联合作用下轴对称压电层合圆板的非线性变形

本文研究可移简支及夹支边界条件下,轴对称压电层合圆板在强电场和机械荷载联合作用下的非线性变形,考虑电致伸缩的非线性压电效应及几何非线性,导出轴对称压电层合圆板的von Karman方程,利用幂级数法求解,得到强电场和均布载荷作用下的挠度、轴力及轴向位移的解析表达式,通过对双压电晶片执行器的数值计算及分析,得到线性与非线性模型之间的差别和适用范围。     

具有压电元件圆薄板传感器的非线性弯曲

为解决在作用电压和机械力的耦合载荷作用下具有压电元件圆薄板传感器的非线性弯曲问题,基于VonKarman薄板非线性理论和压电本构方程,导出具有压电元件圆薄板传感器非线性弯曲控制方程.利用修正迭代法得到在机、电载荷共同作用下轴对称圆薄板的载荷、挠度和电压的关系式.通过算例分别讨论机械载荷和作用电压的变化对圆薄板弯曲变形的影响,结果表明:通过改变压电元件作用电压的大小和方向,可以有效地控制圆板的曲变形.该成果对具有压电元件圆薄板传感器弯曲变形控制具有一定的理论指导意义.     

四边简支压电功能梯度矩形薄板的屈曲

基于经典板理论, 假设材料的电弹参数为板厚方向坐标的幂函数, 采用含压电耦合项的修正层合理论, 推导了压电功能梯度薄板在电载荷作用下的屈曲方程, 并利用Navier解, 得到四边简支矩形薄板在均匀电场下的屈曲临界电压. 在此基础上, 讨论了板的几何尺寸、 材料梯度指数的变化和中面变形等因素对临界电压（电载荷）的影响. 结果表明, 压电材料的梯度化对其稳定性产生较大的影响.     

压电层合圆板的非线性动力学模型与主共振响应

考虑非线性压电效应，即电致弹性和电致伸缩效应，根据Hamilton原理和Rayleigh-Ritz假设模态方法建立了表面粘贴压电陶瓷片薄圆板的非线性动力学模型，使用多尺度方法计算压电层合板驻波振动的主共振一次近似响应，给出解的特性与系统参数的关系．结果表明，在一定条件下，主共振响应存在多解和跳跃现象．改变激励频率（调谐参数）时，主共振解可能是唯一的，也可能有2个，主共振解的真正实现取决于其稳定性条件及初始条件；当激励频率由高向低变化时，存在振幅突跳和滞后．根据分析结果，计算出了在给定的参数条件下用软特性压电材料层合圆板的工作频率选取范围．数值积分的结果验证了解析解的正确性．     

压电／铁电陶瓷材料夹杂问题的力电耦合场

无限大基体中的椭球体夹杂问题是细观力学的核心问题。采用Eshelby方法，得到通过Green函数表征的压电Eshelby张量的表达关系；进而推导以应变及电位移为自变量的无限大基体中的同性及异性椭球体夹杂的力电耦合场问题解以及压电夹杂的约束张量。为建立铁电材料电畴翻转模型及材料的非线性力电耦合本构关系奠定基础。     

压电薄膜微机电加速度传感器的力学分析

基于压电薄膜的压电效应,研究压电薄膜微机电加速度传感器.对双层压电薄膜微机电加速度传感器进行静力分析,得到传感器方程,并进行数值计算.结果表明,随着压电薄膜厚度的增大,灵敏度随之增大,在一定厚度下达到最大值,随着厚度的进一步增大,灵敏度反而减小.然后进行动力分析,得到噪音、质量因子、最小可测信号等技术参数,并进行了数值计算.运用ANSYS软件进行谐响应分析,得到不同频率下结构的动力响应曲线.     

一种新型压电舵机的设计

设计了一种由两组独立的压电角位移执行机构组成的基于压电致动器的新型电动舵机.压电致动器产生的位移经过杠杆机构放大以后转换为舵偏角的输出.推导了压电舵机的数学模型,在此基础上讨论了影响压电舵机性能的因素,并通过实验加以论证.研究结果表明所设计的压电舵机具有结构紧凑、体积小、质量功率比高、价格低、响应速度快等优点,适用于小型旋转制导弹药.     

描述石英元件动态特性的非线性时序模型

60年代以来,人们逐步应用石英晶体作为补偿元件进行微量运动控制,尤其是近些年发展起来的预测补偿控制技术多用此元件.为了得到所需的补偿量,必须精确地控制加在石英元件上的电压,并准确地描述其动态特性.众所周知,当施于石英晶体一定的电压时,晶体本身的尺寸会发生微量变化.工程中常把这种位移与电压的关系视作线性的,而忽略了交变电压作用时的迟滞现象的影响.这虽给问题的处理带来了方便,但降低了补偿元件的精度.本文试图从工程实用的观点,应用非线性时序模型描述石英补偿元件P-172的动态特性,从而达到提高补偿精度的目的.     

利用一次正、二次逆压电效应设计可作动传感器研究

进行了一次正压电效应、二次逆压电效应的理论分析与实验验证.理论与实验均证明.压电体通过一次正压电效应产生的电位移,及通过二次逆压电效应产生的应变与应力均与施加外力具有良好的线性关系.由于一次正、二次逆压电效应是在同一压电体内存在的双向效应,其原理特别适合于传感器、执行器集成一体化的研究.因此,利用压电体的一次正压电效应可以测量外力,作为传感器使用;同时利用该压电体的二次逆压电效应可以输出一个微位移.作为执行器使用.提出了利用该原理设计"可作动传感器"的实现方案.并证明了其可行性.     

压电智能板致动器动力控制特性的有限元模拟

利用有限元法对高精度磁头定位控制系统中拟采用的压电双晶片智能板型致动器的动力控制特性给予了定量模拟。将压电双晶片分别粘贴于基底钢板上下表面形成层合板，对其在恒定的平行电场作用下的机电耦和致动特性进行了分析，基于压电本构方程、经典层合板理论和Hamilton原理，推导出具有压电传感器及致动器的层合板机—电耦合动力方程。通过应用负速度反馈控制算法，对板的变形与振动控制的特性进行了数值分析，建立了相应的定量分析模型和计算程序，结果表明：本文的控制系统是有效的。     

基于多次压电效应的自感知执行器研究

针对多次压电效应在同一压电体上双向可逆的特点,进行了多次压电效应实现压电执行器位移自感知的理论分析,由此阐明了压电体中多次逆与多次正效应的一一对应关系,以及介电电位移与多次正压电电位移分离的可行性.通过引入参考电容,采取电流积分与差分比例运算电路相结合的方式,得到一种较电桥电路解耦更易于在工程实际应用的方法.采用PZT-5叠堆执行器进行实验,验证了该解耦方法的正确性,同时得出了PZT-5叠堆二次正压电效应的线性系数,并进一步分析了三次压电效应对自感知执行器的分辨力和精度的影响,为压电自感知执行器性能的改善提供了一条新途径.     

压电陶瓷驱动器的滑模观测器反演控制

针对压电陶瓷驱动器中固有的迟滞非线性问题,设计基于滑模状态观测器的反演控制器对其进行输出跟踪控制。首先对压电陶瓷驱动的系统模型进行分析,将迟滞非线性部分视为有界干扰;在此基础上设计滑模状态观测器,对压电陶瓷驱动器的速度状态进行估计,整个系统仅需要测量输出位置信息。对采用滑模状态观测器的系统进行反演控制器设计,最后通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统是稳定的,系统中的所有信号是一致最终有界的。仿真结果表明了方法的有效性。     

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.     

微驱动器及其驱动原理

微机电系统(MEMS)是20世纪80年代在微电子技术的基础上兴起的一门应用技术。其中,微驱动器是微机电系统的重要组成部分。主要介绍了电磁驱动、静电驱动、压电驱动、形状记忆合金(SMA)驱动及热驱动等,介绍了它们各自的优缺点及其应用,对其应用前景进行了简要分析。     

基于电动直线负载模拟器的排气压力模拟研究

在电磁驱动配气机构中,排气门开启过程中受到气体压力影响,为了验证排气门控制策略的有效性,设计了一种能够模拟排气压力的电动直线加载系统。针对电动直线加载系统多余力及其他非线性扰动因素影响加载力跟踪精度问题,引入前馈补偿,以加载力作为外环,电流闭环为内环的双闭环复合PID控制策略。给定恒定力和正弦力进行直线加载跟踪性能对比分析,结果表明与传统PID控制相比,复合前馈PID控制有效抑制了加载系统的多余力。为了验证方案的可行性,建立了电动直线负载模拟平台,对排气压力模拟进行试验研究,结果表明在误差允许范围内,能够实现对排气压力的模拟。