精密机械仿生热稳定构件研究

【摘要】： 本文以仿生热稳定构件的工作机理为研究主线，结合国家自然科学基金项目—“精密加工设备仿生热鲁棒构件的研究”(No.59805018)，积极吸收相关学科的新思想、新技术，系统地研究压电仿生智能结构及其在工程领域的应用，改善压电智能结构控制性能，并将其引入精密机械热变形控制研究领域。从理论和基础技术两方面入手，对压电材料的特性、仿生热稳定构件的设计方法及其应用进行深入系统的研究。 1．分析热压电耦合场的作用机理，建立热压电弹性介质理论和基本方程。从力学、电学和热力学的基本原理出发，推导出热压电弹性介质耦合的基本方程。从压电热弹性介质的本构关系出发，推导出非线性的压电热弹性介质本构关系和控制方程组，建立压电智能控制系统力-热-电等交叉耦合动力学模型。 2．研究智能压电材料特性与组份、制作工艺等之间的内在联系。分析压电材料的工作机理，并对典型的压电材料的主要压电性能进行分析研究。在此基础上对压电材料的制备工艺进行探讨，由PbZrO_3-PbTiO_3(PZT)固溶体相图的特点，分析压电材料压电性能与其组成之间的联系。研究压电材料压电常数、机电耦合系数、机械品质因数等特性与其组份、颗粒直径及制作工艺过程之间的关系。研制出用于仿生热稳定构件中的新型压电材料PZT-5，并分析其压电特性， 3．根据仿生热稳定构件的压电变换器的工作特性，提出各种压电变换器的数学模型，建立压电变换器的理论模型。分析压电致动器重要参数等因素对压电变换器转换效率的影响，并进行模型的仿真计算，验证了模型的正确性。 4．研究仿生热稳定构件的压电主动构件的工作机理。基于压电材料的压电致动效应，讨论压电主动构件的设计理论，参数选取及其对压电主动构件性能的影响。设计制造一种可用于智能结构热动态控制的新型压电主动构件，并通过实验研究其工作性能：输出位移、输出力特性与各种影响因素之间的关系。 5．研究仿生热稳定构件的传感器优化配置及模态控制问题。利用准静态热压电本构关系，得到热压电仿生结构的有限元动态耦合模型，讨论各耦合因素对热压电结构传感特性的影响。利用有限元法对受温度场作用的仿生热稳定构件进行仿真研究，以确定压电传感器在仿生结构的最佳布置。提出分布压电单元的状态控制法设计压电模态传感器与模态致动器，以提高压电智能系统的可控性和可观性，并对压电智能结构进行模态控制。 6．研究仿生热稳定构件的致动器放置优化的问题。根据热压电介质的有限元动力学方程分析致动器的工作机理。利用有限元法分析仿生热稳定构件的热应力和热变形以确定致动器的最优放置。同时提出目标函数评价系统的可控性来研究致动器的放置，并用实例分析热压电致动器的位置和数目对系统可控度的影响。 7．以仿生热稳定构件设计的高速电主轴模型为对象，研制基于工业PC为核心的热动态智能监控系统，进行相应的软硬件系统开发。在此基础上进行模拟电主轴热动态控制实验 谆士学B沦丈全文扫要 研究，实验证明本文的理论分析和数值计算的正确性。 最后，总结本论文研究工作的主要结论，并探讨了未来压电仿生结构智能控制系统及其 应用的研究重点和发展方向。