基于压电薄膜材料PVDF的能量采集结构研究

为了提高基于PVDF压电材料的能量采集效率,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对双晶压电悬臂梁进行研究。首先,对悬臂梁结构的压电振子进行了稳态分析、模态分析和谐响应分析,同时对4种不同基板材料压电振子电压输出特性做了研究比较;其次,对悬臂梁压电振子结构进行了优化设计。对其形状的研究表明:矩形悬臂梁的输出电压最高;随着悬臂梁的长宽比增加,其输出电压逐渐增大;在压电材料面积固定时,增加长度、减小宽度都能提高输出电压,为设计最佳的能量采集器提供理论依据。     

压电非均衡复合材料变形有限元分析

利用基于一阶剪切层合板理论的四节点矩形压电层合板板有限单元，分析了在外载荷和驱动电压相同的情况下,五种不同铺层形式的压电复合材料变形的规律；同时对压电非均衡复合材料中弯-扭耦合系数对其变形规律的影响进行了初步的研究。研究结果对今后设计压电非均衡复合材料具有一定的指导意义。     

基于ANSYS的压电陶瓷材料有限元仿真分析

介绍了压电效应与压电陶瓷材料相关理论,利用压电材料的正压电效应,可以将机械能转换为电能,ANSYS大型有限元分析软件可进行力电耦合场分析,利ANSYS对压电陶瓷薄膜的力电转换进行有限元模拟与分析,对压电薄膜施加一定外力,分析产生的电压特性。     

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。     

新型压电行走机构的行走特性

压电行走机构是利用压电陶瓷逆压电效应和谐振特性,将电能转化为机械能的一种新型驱动装置。为避免惯性、摆动、两足移动式压电行走机构运动形式单一问题,研制了一种新型的压电行走机构振动测试系统。通过实验获得了驱动电压、谐振频率、负载载荷、振动角等诸多因素对机构行走速度和在沿行走方向上的驱动力的影响规律。分析显示,行走机构在滑移状态下,行走速度出现最大值,运行平稳;行走装置的后足设置行走轮时,行走状态最好。实验结果为压电行走机构驱动控制系统的设计提供了必要的数据依据。     

复合型压电俘能器的力电特性研究

研究了由金属及压电陶瓷构成的复合型压电俘能器的动力学及力电转换特性。基于薄板小挠度理论,对复合型压电俘能器进行振动分析,确定了在周期性均布载荷作用下该结构所产生电压、功率与其几何参数之间的关系。同时结合实验,研究了不同负载电阻情况下压电俘能器的输出功率并讨论了能量转换效率问题,并分析了压电俘能器的几何参数、不同金属材料对力电转换特性的影响。     

压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证

提出了一种用于压电振动能量收集器的等效电路建模分析法.这种方法将有限元分析和电子电路分析相结合,根据机电类比机制,把压电振动能量收集器的建模问题从复杂的机械领域转换到纯电学领域进行分析.利用该等效电路法,建立并分析了线性和AC-DC非线性负载电路条件下双压电层并联的振动能量收集器电能预测模型.通过对比发现,经等效电路建模分析得到的电压和功率响应结果与实验测量结果的最大误差不超过5％,这充分证实了等效电路建模分析法能在避免理论建模时的复杂推导过程的前提下,保证电能预测模型的精确性.该研究为创建复杂机械和电学边界条件下压电振动能量收集器电能预测模型提供了一种新的、有效的解决途径.     

应用压电陶瓷的减振复合材料研究

根据压电、导电的原理,研究了CPE/BaTiO_3/VGCF体系中,机械振动能通过压电陶瓷钛酸钡转换成电能,并通过材料中VGCF形成的导电网络,将电能转换成热能,从而达到减振效果的现象。     

0-3型PZT/PVDF压电复合材料压电性能研究

以PZT和PVDF为原料,采用热压和冷压两种工艺制备了0-3型压电复合材料,其中PZT陶瓷粉末由sol-gel法制得。研究了不同因素对复合材料压电和介电性能的影响。实验结果表明在相同成型压力下,PZT体积含量为70%时,热压和冷压工艺制备的复合材料d33分别为41和24,相差达到17,而ε相差最大值达到32.4。     

基于压电波动法的混凝土梁裂缝深度与位置监测

为了研究混凝土梁裂缝深度和裂缝位置对压电陶瓷驱动接收效果的影响,首先采用ABAQUS软件,对不同激励源下健康混凝土梁模型的输出信号进行了模拟分析,以确定激励源最优频率,对压电片参数的形状、尺寸和厚度进行优化.然后对健康混凝土梁模型和存在不同深度、位置裂缝的有损伤混凝土梁模型的输出信号特征进行了模拟分析.最后开展了压电波动试验,对健康混凝土梁和有损伤混凝土梁进行了监测分析.研究结果表明：压电陶瓷输出信号强度和小波包能量随着裂缝深度的增加而逐渐减小;贯穿裂缝与发射端传感器距离越近,接收端传感器显示的信号愈强烈,而距离越远,信号衰减程度增大.     

压电弹性振动体的有限差分数值分析方法

本文用数值分析法,有限差分讨论压电弹性振动体的振动问题。计算压电振子的谐振频率,与用等效电路图法的计算结果相比较,平均误差小于0.18,有限差分数值分析法对具有一定形状的求解区域的求解是适宜的。     

PZT-PMN-BF压电陶瓷及压电变压器的研究

采用共沉淀法制备了纳米Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)粉体,并经过适量的Fe3 ,Mn2 ,Bi3 ,Nb5 等离子掺杂后,制备了具有单一钙钛矿晶结构的PZT αPbMn1/3Nb2/3O3 βBiFeO3压电陶瓷粉体。通过低温烧结制备了压电陶瓷,并研制了一种Rosen压电陶瓷变压器。用扫描电镜对陶瓷微观结构进行了研究,并测量了压电变压器的电学性能。结果表明,用纳米粉体Pb(ZrxTi1-x)O3制备的四元系压电陶瓷结构致密,晶粒生长正常,晶粒尺寸约为4~6μm。基于此材料制作的Rosen型压电变压器在负载阻抗为20 MΩ,输入电压为5 V条件下升压比高达420倍以上。     

压电纳米线尺寸与机电转换性能的有限元研究

采用有限元分析方法研究压电纳米线的形变方式和尺寸对机电转换性能的影响.结果表明,在相同外力作用下,压电纳米线径向弯曲产生的压电势是轴向弯曲的7倍,前者比后者具有更高的机电转换效率.压电纳米线径向弯曲模型中,应力和电场为非均匀分布.纳米线长度的增加可提高其弯曲时产生的压电势,当纳米线长度较短时,应力和电场的非均匀分布使压电势随纳米线长度的增加非线性增大.当纳米线长度超过20 mm时,可忽略非均匀分布对机电转换效率的影响,压电势随纳米线长度的增加线性增加.1     

压电陶瓷矩形薄板振子的弯曲振动研究

在矩形薄板四边自由及简支两种边界条件下，导出了振子共振频率方程的解析表达式，研究了弯曲振动压电陶瓷矩形振子共振频率与共振动模式，几何形状及尺寸之间的相互关系。矩形截面压电陶瓷细长棒的弯曲以及细长条矩形振子的条纹模式弯曲振动，可以由本文理论直接导出。     

压电发电充电器的设计

为了收集环境振动机械能,设计一种是压电发电充电器,该系统主要由压电陶瓷发电设备、电能采集电路、升压电路、电池充电电路和电池电量测试部分等构成,实现了对微弱电量的收集、锂电池和镉镍电池的充电和电池电量多通道的检测,具有很好的应用前景。     

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.     

基于FEM的水泥基压电复合材料的性能分析

建立了1-3型水泥基压电复合材料的有限元模型,并对其进行了静力分析、模态分析和瞬态动力学分析。得到了水泥基压电复合材料的内部应力应变分布、水泥基体对复合材料压电性能的影响、复合材料的厚度振动模态和在动态载荷下的响应情况。发现水泥基压电复合材料产生的驱动应变和节点应力都集中在压电陶瓷柱上,高泊松比和低弹性模量的水泥基体能够增加复合材料的压电性能;低频下水泥基压电复合材料的振动特性与压电陶瓷相同,且对外部的动态激励有着良好的线性响应。     

低频楼梯压电发电装置的数学模型和实验

 为收集和利用密集人群对楼梯的踩踏能量,设计了一种基于低频的新型楼梯压电发电装置,基于RLC 等效内阻建立了该装置的发电电路和数学模型;利用搭建的振动实验平台,对等效电路和数学模型进行实验验证。结果表明,在低频条件下,激励位移越大,频率越小,该压电发电装置输出的电能越大;压电发电单元的实验输出电压为电路中等效电阻Z₂的电压,利用数学模型计算得到的理想电压源电压是实验空载电压的2.64~2.88 倍;通过对实验数据的分析计算,得到了与理论计算电压变化规律相一致的实验电压源电压,两者最大误差为7.1%,验证了该压电发电单元等效发电电路和数学模型的正确性。     

复合压电振子的ANSYS模态分析

在ANSYS的软件平台上,利用有限元分析方法对复合压电圆片振子进行建模仿真实验,得到在不同边界条件下复合压电振子弯曲振动一阶模态及振幅分布图,仿真振动频率与理论计算值非常接近.相对传统振动模式分析方法,此方法更为简单、直观.     

压电陶瓷片与多种电路机电耦合的阻尼特性

为研究压电陶瓷片与不同外界电路并联耦合时的阻尼特性,建立了2种不同情况下并联压电陶瓷的阻尼特性模型。将并联压电陶瓷应用于悬臂梁振动系统,建立了4种不同条件下的传递函数模型,采用数值仿真方法研究了不同外界电路条件下,并联压电陶瓷对系统振动的影响,从一定角度验证了理论模型的正确性。仿真结果表明,压电陶瓷片与电阻负电容串连电路耦合时,具有较大的带宽,并能产生最大的阻尼。这种耦合方式可成为用于结构振动抑制的被动控制方法。