基于压电耦合效应的陶瓷压电结构振动特性及致动分析

摘要

传统的压电学作为晶体物理学的一个重要分支，研究机电相互作用过程及能量的转换，形成了较为完整的理论体系。压电效应反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。根据压电原理设计出的压电元件应用于土木、机械及航空等领域。锆钛酸铅（PZT）凭借良好的压电、介电性能，使压电陶瓷的应用范围进一步扩展。
　　本课题选择中间为基体钢板，上下为（PZT）压电陶瓷的三层压电层合悬臂板模型作为压电振动特性分析的对象，将压电层和基体进行耦合，使压电层产生极化，并与基体共同产生应力和应变。提取压电悬臂层合板振型和固有频率对比发现，压电层为PZT4的压电层合板同阶固有频率要比PZT5A的压电层合板高，且振型变化也较明显，这从固有特性角度验证了PZT4是发射型压电陶瓷，PZT5A是接收型压电陶瓷。对压电层合板施加交流电压，通过分别改变压电层和基体的长、宽、厚度得出的振动响应特点，进而研究压电层合板尺寸对于振动响应效果的影响，即在合理范围内，压电层越薄，而基体厚度越大，压电致动作用越明显。通过改变外界激励，发现其对压电层合板振动的影响规律，即随着外界激励电压的增大，压电层合板的位移响应和Mises应力响应越明显。并依据振动响应及压电材料本身特点，选择最优致动有效电压为200V。
　　本文选择了三种不同尺寸的空间刚架，通过对比三种尺寸空间刚架的振型及固有频率，发现刚架刚度越大，同阶固有频率越低。并对粘贴压电片和未粘贴压电片空间刚架的固有频率和振型进行对比分析，粘贴压电片后空间刚架的同阶固有频率增加0.4％~8.8%不等，说明压电片与刚架耦合后对刚架整体固有特性有影响。通过两种尺寸的压电片对空间刚架致动作用的对比分析，15mm×15mm×2mm压电片的致动作用更加明显，即致动影响范围和程度都要远远大于7mm×7mm×2mm压电片。
　　结合压电效应，将两种尺寸压电片对称贴置于有损伤和无损伤的2m×2m×2m空间刚架相同位置，有损伤空间刚架的位移变化是无损伤情况下的2.1倍。虽然刚架损伤处位移变化不够明显，但是通过有限元软件建模后进行的压电分析，利用压电致动作用，对比无损伤刚架相同位置的位移值的大小，分析结果对损伤研究具有现实意义。同时，分析结果也为压电致动分析用于结构损伤检测提供了一种设想和思路。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1压电材料层合板振动特性的研究现状

1.2压电材料耦合场分析

1.3压电陶瓷的简介和特点

1.4论文研究的目的和意义

1.5本文的主要研究内容

2压电层合板有限元模型仿真分析

2.1压电效应和压电方程

2.2压电层合板结构有限元模型的确定

2.3压电层合板振动分析

2.4本章小结

3空间刚架有限元模型仿真分析

3.1 空间刚架结构有限元模型的确定

3.2 基于压电效应下空间刚架无损伤振动分析

3.3基于两种工况下空间刚架振动规律对比分析

3.4本章小结

4 基于压电效应的空间刚架损伤致动分析

4.1损伤位置对空间刚架致动分析的影响

4.2 本章小结

结论与展望

参考文献

在学研究成果

致谢