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超声电机中压电材料的断裂失效研究

作　者: 张顺峰
导　师: 赵淳生
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 工程力学
关键词: 弹性复合梁预制裂纹仿真计算 J积分实验
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本课题来源于国家自然科学基金项目《压电精密致动技术的基础研究》(项目编号:50735002)。超声电机是一种基于压电效应和超声振动的高新技术产品。由于复杂的工作环境,超声电机中的压电陶瓷非常容易受到环境的影响而产生断裂失效,从而导致超声电机无法正常的工作。针对这一现象,本文通过简化超声电机定子为一弹性复合梁,研究环境对压电陶瓷断裂失效的影响,主要内容及成果如下:综述了超声电机的发展历史,总结了现在超声电机工作中出现的断裂失效现象,并针对其工作的原理、结构和环境因素,提出了弹性复合梁的结构模型,确定了本课题的研究方向和内容;分析指出了影响超声电机工作稳定性的原器件以及系统环节,介绍了压电陶瓷两种主要的失效类型:电致失效和多场耦合失效,并将两种主要的失效现象机械断裂失效和电击穿失效进行了对比分析。对含导通裂纹的各向同性电介质的临界击穿电场进行了推导。对含预制裂纹的弹性复合梁进行了仿真计算,通过对不同位置预制裂纹的裂纹尖端应力分布的分析,得到极化区间内中间贯穿裂纹最易发生裂纹扩展。通过对压电陶瓷施加不同电压载荷、不同预载荷和温度载荷的弹性复合梁的仿真计算得到:电场增大促进裂纹的扩展,预载荷增大引起应变增大,促进了裂纹的扩展。而温度升高抑制裂纹的扩展。在仿真计算的基础上对各个不同边界条件的压电陶瓷进行了J积分的计算,结果表明当电压载荷和预载荷增大时,J积分值不断增大;当温度载荷增大时,J积分值不断减小直至稳定。最后,通过实验证实:电场载荷增大容易促进裂纹的扩展,预载荷增大引起裂纹应变减小,抑制了裂纹的扩展,施加的温度载荷越高裂纹越不容易发生扩展。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
图表清单  10-14
注释表  14-15
第一章绪论  15-22
  1.1 超声电机研究现状  15-17
  1.2 压电陶瓷断裂研究背景  17-18
  1.3 超声电机中压电材料的断裂失效  18-19
  1.4 现在存在的主要研究断裂失效的方法  19-20
  1.5 课题意义及研究内容  20-22
第二章失效机理及电击穿模型  22-40
  2.1 超声电机的可靠性分析  22-29
    2.1.1 超声电机的工作过程  22-23
    2.1.2 故障模式分析  23-24
    2.1.3 故障树的建立  24-25
    2.1.4 超声电机的可靠性分析  25-28
    2.1.5 采取的措施  28-29
  2.2 压电陶瓷失效的主要类型  29-32
    2.2.1 电致失效  29-32
    2.2.2 多场耦合失效  32
  2.3 压电材料的失效的主要机理  32-33
    2.3.1 畴壁钉扎机制  32
    2.3.2 应力集中机制  32-33
    2.3.3 力电耦合场致失效  33
  2.4 压电陶瓷两种主要的失效现象  33-37
    2.4.1 电介质击穿本质及现象  33-35
    2.4.2 固体断裂本质及现象  35-37
  2.5 临界击穿电场及电介质击穿准则  37-39
  2.6 本章小结  39-40
第三章超声电机的弹性复合梁简化模型的分析  40-51
  3.1 有限元仿真计算基础  40-41
    3.1.1 弹性复合梁模型  40
    3.1.2 有限元分析及建模  40-41
  3.2 不同位置裂纹裂纹尖端的应力场分析  41-44
  3.3 电压对裂纹尖端最大应力值大小的影响  44-46
  3.4 预载荷对裂纹尖端最大应力值大小的影响  46-48
  3.5 温度对裂纹尖端最大应力值大小的影响  48-50
  3.6 本章小节  50-51
第四章弹性复合梁的能量释放率计算  51-63
  4.1 缺陷与边界条件  51-52
    4.1.1 缺陷的类型  51
    4.1.2 导通裂纹  51
    4.1.3 绝缘裂纹  51-52
    4.1.4 内电极与导电裂纹  52
  4.2 压电材料的裂纹尖端场  52-53
  4.3 压电裂纹解  53
  4.4 断裂失效准则  53-56
    4.4.1 应力强度因子准则  54
    4.4.2 能量释放率断裂准则  54-56
  4.5 压电材料断裂的J 积分及J 与G 的关系  56-57
  4.6 仿真中J 积分的计算验证  57-62
    4.6.1 J 积分理论  57-59
    4.6.2 弹性复合梁中J 积分的计算  59-62
  4.7 本章小结  62-63
第五章断裂失效的实验研究  63-75
  5.1 实验基础及装置  63-64
  5.2 电压对同一位置裂纹扩展的影响  64-67
  5.3 温度对同一位置裂纹扩展的影响  67-71
  5.4 预载荷对同一位置裂纹扩展的影响  71-74
  5.5 本章小结  74-75
第六章总结与展望  75-77
  6.1 本文的主要贡献  75
  6.2 本文的创新点  75
  6.3 下一步研究方向及内容  75-77
参考文献  77-81
致谢  81-82
在学期间的学术成果及发表的学术论文  82

超声电机中压电材料的断裂失效研究

内容摘要

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