層狀壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)的動力特性研究.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)計智能器件，如傳感器、致動器、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、水聲領(lǐng)域中水下目標的探測和定位、交通系統(tǒng)中能量的俘獲等。
　　層狀壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于制備工藝簡單、比強度和比剛度較高，加之具有優(yōu)異的機電耦合性能，在新型智能器件的開發(fā)中受到越來越多的青睞。然而，對于含有多層彈性層和壓電層的器件，其內(nèi)部彈性場和電場的動力耦合比較復(fù)雜

2、，從而使問題的分析和求解比較困難。因此，目前工程中常見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力學解答，無疑對該類智能器件的開發(fā)和設(shè)計均具有重要的指導意義。
　　本文基于壓電彈性理論，采用理論分析、ANSYS數(shù)值仿真和實驗研究相結(jié)合的研究方法，對含有任意層數(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)的動力特性進行了深入研究。通過建立合理的理論分析模型，給出了該類結(jié)構(gòu)的分析解，并進行了參數(shù)影響分析。本文所得解答在特定情況下與相關(guān)文獻所給解答一致，說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)的動力分析模型，給出了理論解;通過與相關(guān)文獻的結(jié)果對比，驗

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)等對其動力特性的影響。該模型可用于指導設(shè)計任意層數(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，為開發(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)的動力分析模型，給出了理論解，并完成了正確性驗證和參數(shù)影響分析。然后，將該模型發(fā)展為

5、包含驅(qū)動單元和傳感單元的組合模型，通過調(diào)節(jié)該組合模型中驅(qū)動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結(jié)構(gòu)性能進行優(yōu)化設(shè)計。本文所建模型可用于指導設(shè)計任意層數(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，為開發(fā)新型的鈸式換能器并對其性能進行優(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芷鳎环N是設(shè)計了一個階梯型的金屬圓環(huán)通過膠結(jié)完成與鈸型

6、金屬帽的機械耦合，另一種是設(shè)計了一個帶孔的金屬圓環(huán)通過螺栓完成與鈸型金屬帽的機械耦合，而后實驗研究了其俘能特性，并完成了ANSYS數(shù)值仿真和理論分析，所得結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合較好。實驗結(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，為進一步開發(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，給出了動力學分析解答，分析了電極的影響，并制備俘能器試件進行了實驗驗證。本工