IDE壓電元件及其在仿生翼中的應(yīng)用研究.pdf

1、壓電驅(qū)動(dòng)元件目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能材料結(jié)構(gòu)之中，但是由于其驅(qū)動(dòng)位移比較小，平面內(nèi)各向同性等缺點(diǎn)，難以滿足實(shí)際需要。為了促進(jìn)智能材料結(jié)構(gòu)的實(shí)用化，必須對其進(jìn)一步研究。
　　 交叉指形電極IDE(Interdigitated Electrodes)壓電元件是一種采用新型電極技術(shù)的壓電驅(qū)動(dòng)元件。元件充分利用了縱向伸縮壓電效應(yīng)和較大的壓電常數(shù)，不但使元件驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的提高成為可能，而且元件具有了平面內(nèi)的正交異性。作為驅(qū)動(dòng)元件，能夠在特定方向

2、上施加力或變形，適合在撲翼飛行器中的應(yīng)用。
　　 撲翼飛行器作為一種具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式，集多種前沿技術(shù)為一體的微型機(jī)器人系統(tǒng)，無論在軍事還是在民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。圍繞IDE 壓電元件和撲翼飛行器仿生翼的控制，展開了相應(yīng)的研究。
　　 本文的主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　 1.建立了利用縱向長度伸縮壓電效應(yīng)的壓電元件的本構(gòu)關(guān)系方程；基于拉格朗日函數(shù)和哈密爾頓原理，推導(dǎo)了壓電元件的動(dòng)力學(xué)有限元方程；

3、　　 2.利用有限元法對AFCs/MFC元件的力學(xué)和電學(xué)性能進(jìn)行分析，給出了應(yīng)力、應(yīng)變和電場分布圖，得到了組分材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對元件應(yīng)力、應(yīng)變和靜電場分布的影響關(guān)系，在此基礎(chǔ)上給出了AFCs/MFC 元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)；另外，建立了單一材料IDE 壓電元件的均勻場模型和有限元模型，對其進(jìn)行了力學(xué)性能分析，得到其應(yīng)力和應(yīng)變分布狀態(tài)，找出了一些規(guī)律；
　　 3.制備了單一材料IDE 壓電元件，用有限元諧響應(yīng)分析法和阻抗試驗(yàn)法研究了其諧振

4、頻率和溫度穩(wěn)定性，檢測了元件在機(jī)械自由狀態(tài)下的變形性能，研究了極化工藝對元件自由變形性能的影響，給出了最優(yōu)極化工藝條件；
　　 4.系統(tǒng)分析了撲翼飛行器設(shè)計(jì)中的尺度律問題和昆蟲翅膀產(chǎn)生高升力的機(jī)理；建立了撲翼飛行器和仿生翼的運(yùn)動(dòng)方程，推導(dǎo)了撲翼飛行器和仿生翼的速度與加速度方程，對仿生翼氣動(dòng)力進(jìn)行了理論分析和仿真研究；
　　 5.設(shè)計(jì)了拍動(dòng)結(jié)構(gòu)和集成MFC 元件的仿生翼，并對集成MFC元件的仿生翼進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，給出