压电材料,由于具有优良的力电耦合特性,常被用于设计智能器件,如传感器、致动器、超声换能器、俘能器等。目前,这些器件已被广泛应用于众多工程领域,如土木工程中结构的健康检测、水声领域中水下目标的探测和定位、交通系统中能量的俘获等。
层状压电复合结构,由于制备工艺简单、比强度和比刚度较高,加之具有优异的机电耦合性能,在新型智能器件的开发中受到越来越多的青睐。然而,对于含有多层弹性层和压电层的器件,其内部弹性场和电场的动力耦合比较复杂,从而使问题的分析和求解比较困难。 因此,目前工程中常见的层状压电智能器件只含很少的几层压电层和弹性层。如何通过建立合理的分析模型,给出含有任意层数压电层和弹性层的智能器件的动力学解答,无疑对该类智能器件的开发和设计均具有重要的指导意义。
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本文基于压电弹性理论,采用理论分析、ANSYS数值仿真和实验研究相结合的研究方法,对含有任意层数的径向极化和轴向极化的多层压电／弹性复合圆柱型结构、径向层状的新型钹式俘能器结构、压电叠堆俘能器结构的动力特性进行了深入研究。通过建立合理的理论分析模型,给出了该类结构的分析解,并进行了参数影响分析。奶浆柴胡
本文所得解答在特定情况下与相关文献所给解答一致,说明了本文所得一般解答的正确性。最后,探索了压电叠堆俘能器在轨道交通中的应用。
本文的主要研究工作如下：(1)以径向极化压电圆管为基本单元,设计了一种包含任意层数的径向极化压电／弹性复合圆柱型结构,建立了相应的动力分析模型,给出了理论解；通过与相关文献的结果对比,验证了本文所得理论解答的正确性；探讨了压电层极化方向、复合结构的内径、弹性层厚度、压电层层数等对其动力特性的影响。该模型可用于指导设计任意层数的径向极化结构单元以替换传统钹式结构中的轴向极化压电陶瓷圆盘,为开发新型的钹式换能器提供了理论支持。
(2)以轴向极化压电圆环为基本单元,设计了一种包含任意层数的轴向极化压电／弹性复合圆柱型结构,建立了相应的动力分析模型,给出了理论解,并完成了正确性验证和参数影响分析。然后,将该模型发展为包含驱动单元和传感单元的组合模型,通过调节该组合模型中驱动单元和传感单元的压电层层数比、以及传感单元的外接电阻,使组合模型具有了多频特性,并可在特定的匹配电阻处对结构性能进行优化设计。
平面音响>真空采血器本文所建模型可用于指导设计任意层数的轴向极化结构单元以替换传统钹式结构中的轴向
极化压电陶瓷圆盘,为开发新型的钹式换能器并对其性能进行优化提供了理论依据。(3)研制了两种径向层状的新型钹式俘能器,一种是设计了一个阶梯型的金属圆环通过胶结完成与钹型金属帽的机械耦合,另一种是设计了一个带孔的金属圆环通过螺栓完成与钹型金属帽的机械耦合,而后实验研究了其俘能特性,并完成了ANSYS数值仿真和理论分析,所得结果与实验数据符合较好。
实验结果显示,两种新型俘能器可在较高的荷载作用下正常工作,为进一步开发应用于公路和铁路系统等高荷载环境的新型钹式俘能器提供了新思路。(4)建立了压电叠堆俘能器的理论分析模型,给出了动力学分析解答,分析了电极的影响,并制备俘能器试件进行了实验验证。
本工作为开发新型的压电叠堆俘能器提供了理论基础。(5)设计了一种可俘获轨道系统机械能的压电叠堆装置,采用承受移动荷载的Winkler弹性地基梁来描述轨道结构,并建立了俘能器与轨道结构相耦合的动力分析模型,分析了火车轴重、运行速度、外接电阻以及装置中的弹簧刚度对能量俘获性能的影响。
该研究为开发适用于轨道交通的压电俘能器提供了参考。
