層狀壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性研究.pdf

1、壓電材料，由于具有優(yōu)良的力電耦合特性，常被用于設(shè)計(jì)智能器件，如傳感器、致動(dòng)器、超聲換能器、俘能器等。目前，這些器件已被廣泛應(yīng)用于眾多工程領(lǐng)域，如土木工程中結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)、水聲領(lǐng)域中水下目標(biāo)的探測(cè)和定位、交通系統(tǒng)中能量的俘獲等。
　　層狀壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于制備工藝簡(jiǎn)單、比強(qiáng)度和比剛度較高，加之具有優(yōu)異的機(jī)電耦合性能，在新型智能器件的開(kāi)發(fā)中受到越來(lái)越多的青睞。然而，對(duì)于含有多層彈性層和壓電層的器件，其內(nèi)部彈性場(chǎng)和電場(chǎng)的動(dòng)力耦合比較復(fù)雜

2、，從而使問(wèn)題的分析和求解比較困難。因此，目前工程中常見(jiàn)的層狀壓電智能器件只含很少的幾層壓電層和彈性層。如何通過(guò)建立合理的分析模型，給出含有任意層數(shù)壓電層和彈性層的智能器件的動(dòng)力學(xué)解答，無(wú)疑對(duì)該類(lèi)智能器件的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)均具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本文基于壓電彈性理論，采用理論分析、ANSYS數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的研究方法，對(duì)含有任意層數(shù)的徑向極化和軸向極化的多層壓電/彈性復(fù)合圓柱型結(jié)構(gòu)、徑向?qū)訝畹男滦外撌椒芷鹘Y(jié)構(gòu)、壓電疊堆俘能器

3、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了深入研究。通過(guò)建立合理的理論分析模型，給出了該類(lèi)結(jié)構(gòu)的分析解，并進(jìn)行了參數(shù)影響分析。本文所得解答在特定情況下與相關(guān)文獻(xiàn)所給解答一致，說(shuō)明了本文所得一般解答的正確性。最后，探索了壓電疊堆俘能器在軌道交通中的應(yīng)用。
　　本文的主要研究工作如下:
　　(1)以徑向極化壓電圓管為基本單元，設(shè)計(jì)了一種包含任意層數(shù)的徑向極化壓電/彈性復(fù)合圓柱型結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的動(dòng)力分析模型，給出了理論解;通過(guò)與相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)

4、證了本文所得理論解答的正確性;探討了壓電層極化方向、復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑、彈性層厚度、壓電層層數(shù)等對(duì)其動(dòng)力特性的影響。該模型可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)任意層數(shù)的徑向極化結(jié)構(gòu)單元以替換傳統(tǒng)鈸式結(jié)構(gòu)中的軸向極化壓電陶瓷圓盤(pán)，為開(kāi)發(fā)新型的鈸式換能器提供了理論支持。
　　(2)以軸向極化壓電圓環(huán)為基本單元，設(shè)計(jì)了一種包含任意層數(shù)的軸向極化壓電/彈性復(fù)合圓柱型結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的動(dòng)力分析模型，給出了理論解，并完成了正確性驗(yàn)證和參數(shù)影響分析。然后，將該模型發(fā)展為

5、包含驅(qū)動(dòng)單元和傳感單元的組合模型，通過(guò)調(diào)節(jié)該組合模型中驅(qū)動(dòng)單元和傳感單元的壓電層層數(shù)比、以及傳感單元的外接電阻，使組合模型具有了多頻特性，并可在特定的匹配電阻處對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文所建模型可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)任意層數(shù)的軸向極化結(jié)構(gòu)單元以替換傳統(tǒng)鈸式結(jié)構(gòu)中的軸向極化壓電陶瓷圓盤(pán)，為開(kāi)發(fā)新型的鈸式換能器并對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
　　(3)研制了兩種徑向?qū)訝畹男滦外撌椒芷?，一種是設(shè)計(jì)了一個(gè)階梯型的金屬圓環(huán)通過(guò)膠結(jié)完成與鈸型

6、金屬帽的機(jī)械耦合，另一種是設(shè)計(jì)了一個(gè)帶孔的金屬圓環(huán)通過(guò)螺栓完成與鈸型金屬帽的機(jī)械耦合，而后實(shí)驗(yàn)研究了其俘能特性，并完成了ANSYS數(shù)值仿真和理論分析，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種新型俘能器可在較高的荷載作用下正常工作，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應(yīng)用于公路和鐵路系統(tǒng)等高荷載環(huán)境的新型鈸式俘能器提供了新思路。
　　(4)建立了壓電疊堆俘能器的理論分析模型，給出了動(dòng)力學(xué)分析解答，分析了電極的影響，并制備俘能器試件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本工