定向应力波压电驱动器的有限元仿真与实验研究

【摘要】： 本文的目标是对应用于主动结构健康监测系统的定向应力波驱动器作初步研究。主动结构健康监测系统(Active Structural Health MonitoringSystem,简称ASHMS)是一种新兴技术,由激励信号技术、传感技术、信号处理技术、识别与诊断技术构成,可以完成对结构的在线和实时监测,按照检测者的主观要求灵活地对结构进行检测、及时发现损伤进而评估结构的健康状况。在ASHMS中,引入定向应力波是实现结构损伤精确定位的一个有效途径。定向应力波使得振动能量集中在设定的目标区域内传播,因此提高了能量的有效利用率,并且降低了传感器信号的复杂程度,提高了信噪比。基于粘贴式PZT驱动元件和压电AFC驱动元件,本文对定向应力波驱动器进行了数值模拟与实验研究。 压电理论是压电材料应用及压电元件开发的基础。本文首先介绍了压电效应的基础知识和理论;论述了有限单元法在压电复合材料分析中的基本理论和方法,及利用有限元进行模拟的一般步骤。 然后,基于有限元软件ANSYS,本文对PZT驱动片进行了模态分析,得出PZT驱动片定向谐振频率随尺寸变化的规律;对PZT驱动片与宿主结构的整体进行谐响应分析,得出定向激励频率随PZT驱动片尺寸、宿主结构尺寸、材料等变化的规律。 再次,建立压电AFC驱动元件的模型,对其进行了静力分析,重点分析了影响复合材料性能的几个因素:压电纤维直径、分支电极间距、分支电极面的宽度、压电相和聚合物相的体积比,以及两相材料的几个物理量,如弹性模量、泊松比、介电常数等。得出了驱动位移与各个因素的关系。 最后,设计并制作不同尺寸的PZT驱动片、压电AFC驱动元件,在环氧树脂板等宿主上进行了定向驱动的实验研究,得出定向激励频率随驱动片尺寸、粘贴方式变化的规律,得到其正交异性驱动性能。 通过模拟和实验研究,发现PZT驱动片有较好的驱动正交异性,压电AFC驱动器有宽频带驱动的特性。本文的工作为进一步研究定向应力波驱动器提供了研究方法和研究基础。