壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性多場耦合作用分析及壓電俘能器實驗研究.pdf

1、壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)因具備優(yōu)良的力電耦合性能而在壓電俘能器、壓電變壓器、壓電諧振器等聲波器件中得到了廣泛應(yīng)用,極大地推動了現(xiàn)代智能結(jié)構(gòu)控制和無線供能技術(shù)的更深入發(fā)展。由于壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在復(fù)雜的多場耦合作用,并且這種耦合作用隨著微電子器件微型化和集成電路化發(fā)展而呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性效應(yīng),使得問題的分析和求解異常繁難。本文從三維電彈性理論出發(fā),引入非線性變形效應(yīng),建立了壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程,并針對幾種典型壓電聲波器件的線性和非線性效應(yīng)開展了深入研究

2、,得到了一些較有新意的結(jié)論。文章最后還以壓電俘能器為重點開展了實驗研究,證實了理論分析結(jié)果。本文的重要研究成果為:
　　1.提出了一種新型的能從低頻環(huán)境振動中有效提取能量的扭轉(zhuǎn)型低頻壓電俘能結(jié)構(gòu),建立了這類俘能結(jié)構(gòu)的耦合計算模型,闡明了各系統(tǒng)參數(shù)對俘能器性能的影響規(guī)律。
　　2.通過引入壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性變形效應(yīng),建立了幾種典型壓電俘能器的非線性動力學(xué)模型。在將極化電壓和電荷是由哪種變形(彎曲還是伸縮)引起進(jìn)行區(qū)分后,重新

3、定義了壓電俘能結(jié)構(gòu)的輸出電壓和電流。然后,以幾種典型壓電俘能結(jié)構(gòu)為例,分析了它們在共振附近的非線性動力學(xué)行為,揭示了輸出功率的多值性和跳躍現(xiàn)象,弄清楚了系統(tǒng)重要參數(shù)對俘能器非線性區(qū)域的影響規(guī)律,為壓電俘能器的設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。
　　3.建立了五層板型壓電變壓器的非線性動力學(xué)模型,分析了壓電變壓結(jié)構(gòu)在共振附近的非線性特征,揭示了輸出/輸入電壓比的多值性和跳躍現(xiàn)象,闡明了系統(tǒng)重要參數(shù)對壓電變壓器非線性區(qū)域的影響規(guī)律,對壓電變壓

4、器的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。
　　4.建立了梁型雙晶片壓電俘能器的實驗?zāi)Ｐ?通過引入一個線性渦流傳感電路,藉由線性系統(tǒng)的力電相似關(guān)系捕捉到最大位移點。再自行設(shè)計了一個微分全波整流單片機(jī)控制電路對與SSHI串聯(lián)的開關(guān)進(jìn)行周期性控制,成功實現(xiàn)了SSHI的電壓反轉(zhuǎn)功能。最后,進(jìn)行了壓電結(jié)構(gòu)與儲能電路的非線性耦合實驗,驗證了我們以往的理論分析結(jié)果。
　　總之,本文提出了一種扭轉(zhuǎn)型低頻俘能結(jié)構(gòu),運用結(jié)構(gòu)與電路完全耦合的整體分析方法,對