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压电智能结构的有限元仿真与实验研究

刘小顺  
【摘要】: 压电智能结构以压电材料作为执行器,充分利用了压电材料的响应速度快,性能稳定等优点,在航空航天领域有着重要的应用前景。叉指型电极压电纤维复合材料除了具有压电陶瓷的性能外,充分利用了压电常数d33高的优点,增加了各向异性的驱动性能,在智能结构中有着广泛的应用。本文将叉指型压电纤维复合材料作为执行器,将其用于智能悬臂梁结构和盒段结构,对它们组成的智能结构进行有限元仿真和实验研究。由于叉指型电极的尺寸与结构尺寸差别大,网格划分困难,导致有限元仿真十分复杂;同时压电智能结构的响应滞后特性使其在实际应用受阻。为此,本文主要做了如下工作: 首先,通过分析逆压电本构方程,将压电材料应变进行分解,将压电应变比拟为机械载荷,建立了压电纤维复合材料的比拟应力分析方法。并用该方法对0°铺层和45°铺层的压电智能悬臂梁结构进行静态位移仿真。 随后,设计了压电智能结构的实验平台,包括软件和硬件的设计。同时利用上述实验平台对仿真结果进行验证,根据实验结果引入修正系数用以减少压电纤维复合材料的迟滞性能对仿真结果的影响。并进一步的探讨了电压幅值、电压保持时间、电压增幅和正弦信号频率对压电智能悬臂梁结构的响应滞后的影响。 最后,利用修正后的比拟应力方法对盒段结构进行仿真,包括静态和动态分析。动态分析采用Newmark-β方法,得到不同电压信号下的滞后曲线,并且与实验结果进行了对比。同时进一步研究了电压幅值、电压保持时间、电压增幅和正弦信号频率对盒段结构位移滞后的影响。


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