DESIGN AND APPLICATIONS OF PIEZOELECTRIC CRYSTALS TRANSDUCER IN DYNAMIC EXPERIMENTS

各种压电器件广泛用于电子工业、信息传输、医学诊断等许多领域,以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能. 特别地,压电晶体以其高频响的压电效应,在动载实验中用于动态应力的测试. 利用其特有的各向异性特性,通过设计特殊的切型方向,可以实现对不同应力的测试. 本文通过分析各向异性晶体的特性,从压电效应的基本原理出发,导出了利用各向异性晶体作为剪应力量计的设计思想,并给出了两种典型的动态剪应力计:17.705°Y 切石英和165.44°Y 切铌酸锂晶体.     

压电堆在结构振动隔离中的应用

利用压电材料的逆压电效应,压电堆可用于振动激励,也可用于振动隔离。本文推导了了压电堆的有限元控制方程,采用数值方法研究了压电堆的隔振作用。作为算例,分析了支架采用压电堆振后的振动特性,为改善支架的动态特性提供了理论指导。     

不同电极数石英谐振器集群力敏特性分析

为了提高石英力敏谐振器的力-频转换系数,根据石英晶体压电效应及各向异性特性,利用Matlab数值计算方法,研究了径向力作用时AT切石英晶体薄圆片内各点的应力分布特点,设计了不同基频及不同电极数的石英力敏谐振器集群,并对其力敏特性进行了测试。结果表明:谐振器的力敏特性与谐振器的谐振频率、电极位置及力作用方位有关;集成于同一晶体基片不同位置的谐振器谐振频率作差频处理,得到的差频信号仍具有显著的力敏特性,同时差频信号中材料自身干扰因素的影响得到了抑制;在非耦合状态下,同一晶体基片上电极集成数越多,差频组合形式越多,得到的叠加信号的力敏特性越显著;经差频及叠加处理,集成式石英六电极谐振器的力-频转换系数可达8655.8 Hz/N。这种结构的力敏谐振器可用于高稳定的数字式力传感器及相关姿态检测控制系统。     

一种压电驱动的三足爬行机器人

机器人领域涉及到力学、机械、材料、控制、电子和计算机等多个学科. 其中, 爬行机器人可在极端环境下工作, 进而可有效降低人工作业的危险性并提高工作效率. 因此, 爬行机器人一直是机器人领域的重点研究对象. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的新型功能陶瓷材料. 逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场, 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力, 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失. 本文基于压电陶瓷的逆压电效应设计了一种由3条弯曲变截面梁支撑的一体化三足爬行机器人. 利用理论力学方法对该三足爬行机器人建立整体受力分析方程, 再用哈密顿原理对变截面、变角度梁建立动力学方程, 最终得到了可求解该三足爬行机器人的压电驱动腿固有频率的方程. 设计并制作了三足爬行机器人实物, 通过实验测试了不同弯折角度、不同驱动频率、不同负载、不同电压波形对运动方向及运动速度的影响. 最后利用不对称的驱动电压使三足爬行机器人实现了左转、右转以及不加导轨的近似直线运动, 实现了设计的3个方向的运动, 最后分析了该机器人的能耗问题. 该研究可为微型爬行机器人设计和实验提供参考依据.      

BK14-2型压电石英加速度计的研究

本文利用压电石英晶体谐振器进行加速度计的研究，采用石英晶体谐振器作为测量惯性力的敏感元件，利用石英晶体谐振器的压电效应，通过敏感惯性力进而实现对线加速度的测量。结果表明该加速度计具有良好的线性和稳定性，测量范围±４０ｇ，线性度优于１０－４，灵敏度大于４００Ｈｚ／ｇ。     

基于三维Hopkinson杆的混凝土动态力学性能研究

混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注,但鉴于动态实验的复杂性,对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统,为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载,具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能,得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。     

PVDF压电计在动态应力测量中的应用

ＰＶＤＦ是一种新型的高分子压电型传感器材料，有较敏感的压电效应。文中讨论了ＰＶＤＦ在冲击实验中的动态标定、频响特性及压电特性。实验结果与应变片的结果进行了比较，说明ＰＶＤＦ具有噪音信号小、频响宽、瞬态响应时间短等特点，具有广泛的应用前景。文中还给出了ＰＶＤＦ用在铝试件及岩石试件中压应力波测量的试验结果。     

铜三晶体弹性应力场和主滑移系分解切应力的有限元分析

用三维各向异性有限元法,对铜三晶体在拉伸载荷作用下的弹性应力集中特性和各组元晶体主滑移系上的切应力变化进行了计算分析,得到了交为一致的结果;为进一步分析三晶体的循环塑性变形提供了依据。     

非线性压电效应下压电层合板的弯曲

考虑非线性压电效应,即电致弹性和电致伸缩效应情况下压电层合板的弯曲。从非线性压电方程和几何方程导出了压电层合板合应力、合力矩与应变之间的广义本构关系,这些关系关于电场是非线性的。利用Ritz法和双傅立叶级数得到四边简支对称压电层合板在高电场作用下的非线性解并进行计算。结果表明,只考虑线性压电效应只能适应于作用电场较低或基础层的刚度比压电层的刚度要大得多的情况。     

激光金属沉积GH4169在不同应变率下的剪切特性及破坏机理研究

为了能在传统的分离式Hopkinson压杆上准确可靠地测试激光金属沉积GH4169的动态剪切特性，基于数值模拟方法对比分析了三种不同动态剪切试样形式及尺寸对剪切区应力分布的影响，结果表明:经过尺寸优化后的双剪切试样的剪切区剪应力占主导地位，可实现近似纯剪切的动态剪切实验。利用此试样形式，系统测试了不同取向（扫描方向、沉积方向）的LMD GH4169试样在不同应变率下的剪切应力应变曲线，并对破坏后试样进行了SEM分析观察。结果表明:(1) 本文中选用的试样形式剪切纯度高，应力沿剪切区宽度厚度分布均匀，可以更好地得到材料的动态剪切特性；(2) 对实验所得剪应力-剪应变曲线进行分析，发现本材料在扫描路径方向和沉积方向并没有表现出明显的各向异性，但随着应变率的增加，具有明显的应变率强化效应；将单轴压缩和动态剪切应力应变曲线同时转换为等效应力应变曲线，对比证实了试样形式能很好反应材料的剪切特性；(3) 通过对LMD GH4169剪切变形破坏试样的微观分析发现，随着应变率升高，断口韧窝尺寸和深度减小，韧性降低，在更小的变形量下容易剪切失效。初始微观缺陷容易导致材料的动态剪切破坏。     

PVDF压力传感器的冲击压电特性研究

PVDF薄膜是一种新型的聚合物压电材料.为了研究PVDF薄膜在低压和一维应变下的压电特性,利用立式Hopkinson压杆和一级轻气炮标定了自研制PVDF压力传感器的压电曲线,实验表明该应力传感器频响高,波形稳定,线性度良好,拟合灵敏度系数K值在0～20MPa和100～450MPa压力范围分别为14.96pC/N和11.9pC/N,可以基本满足动态冲击应力测试的要求.但由于PVDF薄膜的系数K受多方面的影响,定量分析有相当难度,建议使用跟实际工作状况相近的标定K值.     

压电结构的热弹性比拟建模方法

通过比较逆压电效应本构方程和热弹性本构方程,在线性范围内建立逆压电效应和热弹性效应的比拟关系:将驱动电压比拟为温度载荷,压电应变系数比拟为热膨胀系数,用热弹性有限元方法分析逆压电效应,并采用热弹性比拟方法求解基于长度伸缩逆压电效应和厚度剪切逆压电效应的驱动器问题,给出了平面结构“热-机-电”耦合问题的热弹性比拟求解方法。热弹性比拟方法为快速建立复杂压电结构的有限元模型提供了一种有效的途径,可缩短复杂压电主动结构的设计周期,降低设计成本。最后给出数值算例说明文中方法的有效性。     

压电智能复合材料层合梁的力电耦合模型及层间应力分析

由于非凡的物理性能,石墨烯纳米片(GPL)被认为是最有吸引力的复合材料增强材料之一.GPL增强材料可以明显提高聚偏氟乙烯(PVDF)压电性能和力学性能.在力电载荷作用下,对含均匀石墨烯薄片增强(GSR)智能压电复合材料层合梁层间应力预测至关重要.若对受到力电耦合作用且层与层之间材料性能突变的压电层合梁层间剪切变形预测有误,则其层间应力过大可能导致层间失效.因此,论文提出一种适于分析此类问题且满足层与层之间相容性条件的有效力电耦合模型,用于含GSR致动器的复合材料层合梁层间应力分析.应用Reissner混合变分原理(RMVT),可以提高考虑力电耦合效应的横向剪应力预测精度.三维(3D)弹性理论和所选模型计算结果将用于评估所提梁模型性能.此外,还从力电载荷、压电层厚度、石墨烯体积分数和长厚比等方面对含GSR致动器复合材料层合梁力学响应特性进行了系统的研究.     

压电自感知悬臂梁振动的主动控制研究

利用压电片的正逆压电效应,提出了一种基于分时结构的自感知作动器,将压电片作为传感器和作动器的功能在时间上进行分离,以实现用同一压电片在作动与传感之间的功能切换,并探讨了其用于主动控制的可行性,对一悬臂粱的振动主动控制研究表明该自感知作动器在实际上是可行的。     

湿骨内动态力——电性质的实验研究

本文设计了一种研究骨力─电性质的测试装置。它既用来测量骨的静态力─电性质，又可用来测量骨的动态力─电性质。利用本装置对湿骨试件进行了测试，发现湿骨中压电效应也起作用。从实验上证明了在动态载荷作用下湿骨中的力─电电位主要来源于压电效应。     

压电曲梁单元及其形状控制

航空航天等领域对结构形状要求非常严格,利用压电材料的逆压电效应控制结构变形是现代空间结构形状控制中一个很好的选择。本文基于一般曲梁单元,推导了空间压电曲梁单元的方程表达式,主体壳结构与压电单元之间利用约束方程连接。在此基础上进一步采用最小二乘法得到了压电控制单元上的最优电压,实现了压电曲梁单元的变形控制。数值算例表明了...     

各向异性介质波动问题的时域边界元法及实验验证

对前已建立的各向异性介质波动问题的时域边界元计算模型进行了实验验证．用单向纤维增强光弹性复合材料模拟正交异性介质，用冲击加载，加载方向与纤维方向分别成0°，90°及45°角度，进行了正交异性动态光弹性实验及动态应变测量，并同时对该模型进行了时城边界元计算．将时域边界元方法计算出的应力分量代入正交异性动态光弹性的动态应力-光性定律，得到双折射条纹级数随时间的变化曲线，将其与动态光弹性实验的结果进行比较；此外，由动态电测获得的应变响应曲线推算出应力时程；与时城边界元计算出的应为响应曲线也进行了比较．两种情况下，时域边界元的计算成果均与实验成果吻合较好，从而证明该各向异性介质波动问题的时域边界元计算模型具有较好的精度及稳定性，可用于各向异性介质的动态问题特别是波传播问题的分析研究．     

压电空心圆柱中的波特性

基于三维线性压电弹性理论,采用Legendre多项式方法研究了电开路时压电空心圆柱中轴向波的传播特性.给出了结构的频散曲线及其相应的非压电情况,展示了压电的影响.比较了压电对轴对称模态和弯曲模态影响的区别.从电势分布的角度分析了压电对弯曲扭转波的影响.最后讨论了径厚比和极化方向对波传播压电效应的影响.     

层状压电半空间中的螺位错

研究了层状压电半空间中的螺位错与界面的相互作用,应用傅立叶变换的方法,推导了压电层和基体的弹性场和电场,并在此基础上给出了像力的表达式,分析了几何尺寸和材料的相对刚度对像力和界面应力的影响.结果表明:压电效应的存在可以改变位错与界面的相互作用机理;弹性常数的差异对界面应力有较大的影响.     

硅晶体纳米压痕试验与应力场分析

采用纳米压入法测量了4种硅晶体的微压痕特性,讨论了加载过程与卸载过程的特征,分析了硅晶体的纳米压入测量结果,同时计算了硅晶体中的应力分布,计算结果表明,剪应力为硅晶体微薄片剥落失效的原因。