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压电陶瓷驱动器力学模型理论与试验研究

作　者: 王秋婧
导　师: 阎石
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 结构工程
关键词: 压电陶瓷驱动器逆压电效应驱动特性力学模型粘结层质量集总法数值分析试验验证
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,压电陶瓷中的锆钛酸铅(Lead Zirconate Titanate,简称PZT)以体积小、响应速度快、频响范围宽且输出力大等一系列优点广泛应用于多种用途的驱动器中。通过对PZT物理、力学性能的深入研究,建立基于力学等效原理的PZT驱动力学模型,使PZT的驱动性能得到了更直观的描述,同时也使PZT驱动特性在工程上的应用得到简化。由于PZT特殊的压电效应使其在驱动方面的研究与应用得到快速发展。在以往的研究成果中发现,对PZT驱动器的理论研究多运用静力学方法,即把压电陶瓷片和基体耦合,假设接触面处的应变相等来计算PZT驱动力。然而这种理论上的研究方法既没有考虑PZT的动力特性,又没有考虑PZT与基体之间粘接层的影响问题。因此,这种理论研究并不完善。本文通过动力学思想并结合PZT的逆压电效应,建立不同振动模式的PZT驱动器力学模型,并根据所建立的驱动器力学模型对PZT的驱动特性进行深入研究。这种方法所提取的力学模型简单易行,便于工程应用,无论在理论方面还是实际应用都具有一定的指导意义。本文采用理论推导与试验相结合的方式进行研究,主要研究内容如下:(1)介绍本文的研究背景,目的及意义。简单介绍智能材料的基础知识及其在驱动方面的广阔应用前景。(2)深入研究压电陶瓷的物理及力学性能,对压电陶瓷的驱动机理进行剖析,对压电方程进行详细介绍。(3)建立埋入式PZT驱动器的驱动力学模型。通过对压电陶瓷逆压电效应的研究,根据质量集总法,建立PZT等效力学模型。结合算例并利用软件Matlab / Simulink对建立的驱动模型进行数值分析。结果表明:PZT输入信号与输出信号具有良好的线性关系;PZT的几何尺寸,输入信号的频率及粘结层性能对PZT的输出均有影响。(4)建立粘贴式PZT驱动器的驱动力学模型。通过力学等效原理以及弹性动力学理论建立等效力学模型。利用软件Matlab / Simulink对建立的模型进行参数分析,并深入研究粘结层厚度及材料属性对PZT输出性能的影响。(5)通过试验对建立的粘贴式PZT驱动器力学模型及粘结层性能对PZT驱动力的影响进行验证,所得结果与理论分析基本吻合,表明所建立的PZT驱动模型是合理的且具有一定的通用性。(6)总结本文的主要工作,对得到的结论进行整理,并对今后的研究内容提出建议。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-20
  1.1 引言  9
  1.2 智能材料及智能结构概述  9-13
    1.2.1 智能材料概念  9-10
    1.2.2 智能结构及其研究领域  10-11
    1.2.3 智能驱动材料及其驱动原理  11-13
  1.3 压电陶瓷材料的概述  13-16
    1.3.1 压电材料的发展  13
    1.3.2 压电材料的分类  13-14
    1.3.3 压电材料的特点  14
    1.3.4 压电陶瓷在土木工程中的应用  14-16
  1.4 压电陶瓷的国内外研究现状  16-18
    1.4.1 压电结构的研究现状  16-17
    1.4.2 压电驱动器力学模型的研究现状  17-18
  1.5 论文研究的目的，意义及主要内容  18-20
    1.5.1 目的及意义  18
    1.5.2 本文主要内容  18-20
第二章压电陶瓷的物理性能及其本构关系  20-33
  2.1 压电效应的微观相变机理  20-21
  2.2 压电材料的特性  21-24
    2.2.1 压电陶瓷的压电效应  21-22
    2.2.2 压电材料性能的主要参数  22-24
  2.3 压电方程及压电常数  24-29
    2.3.1 压电方程  24-29
    2.3.2 压电常数的物理意义及相互关系  29
  2.4 压电片的应力-应变关系  29-31
  2.5 压电陶瓷片的选取  31
  2.6 小结  31-33
第三章埋入式PZT 驱动器力学模型建立  33-46
  3.1 动位移计算  33-35
  3.2 PZT 驱动力学模型建立  35-39
    3.2.1 建立模型的前提条件  35-36
    3.2.2 PZT 驱动特性的等效力学模型  36-39
  3.3 算例分析  39-44
    3.3.1 输入信号与输出信号的关系  40-43
    3.3.2 各物理参量对驱动力的影响  43-44
  3.4 小结  44-46
第四章粘贴式PZT 驱动器力学模型建立  46-63
  4.1 理论分析  46-47
  4.2 模型建立  47-53
    4.2.1 单片PZT 自由振动  47-49
    4.2.2 PZT 贴于结构表面  49-53
  4.3 数值仿真  53-56
    4.3.1 PZT 自由振动各物理量分布情况  54-55
    4.3.2 粘贴式PZT 驱动模型各物理参量的分布情况  55-56
  4.4 试验研究  56-61
    4.4.1 悬臂梁模态分析  56-57
    4.4.2 PZT 驱动模型验证试验  57-60
    4.4.3 胶层对PZT 驱动力的影响试验  60-61
  4.5 小结  61-63
第五章结论与展望  63-65
  5.1 结论  63
  5.2 展望  63-65
参考文献  65-69
作者简介  69
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  69-70
致谢  70-71

压电陶瓷驱动器力学模型理论与试验研究

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