交叉指形电极压电纤维复合材料的优化设计

交叉指形电极压电纤维复合材料是1-3型压电复合材料的新成员,以提高其驱动应变为目的,采用有限元软件ANSYS分析了其驱动特性,并给出了组分材料特性对驱动性能的影响规律。结果表明:采用低弹性模量、高泊松比的压电相和聚合物相有利于提高压电片的驱动应变;聚合物相的介电常数对驱动应变影响最大,采用高介电常数的聚合物相可以使其驱动应变明显提高。

交叉指型电极压电振子的谐振特性研究

根据压电振子的动力学方程,采用有限元软件ANSYS对交叉指型电极压电振子进行了谐响应分析,得到了压电振子的横向振动响应,获得了分支电极参数对交叉指型电极压电振子谐振频率的影响规律。利用阻抗分析仪对交叉指型电极压电振子的谐振频率进行了实验研究,并与仿真结果进行了对比,两者基本吻合,验证了数值模型的可靠性。此外,研究结果还表明,采用较小的电极周期,可以明显降低振子的谐振频率,从而在相同的激励下,获得较大的作动应变。

交叉指形电极压电纤维复合材料静电场优化

采用有限元法分析了外电压作用于交叉指形电极(IDE)压电纤维复合材料时的静电场分布,讨论了静电场对元件极化和动作性能的影响,研究了电极区聚合物的介电常数和厚度尺寸及其IDE分支电极宽度和电极中心距对压电纤维复合材料静电场的影响。结果表明:增加电极区聚合物的导电性或减小电极区聚合物的厚度,压电纤维复合材料静电场可以得到显著提高,同时,元件横向应变可以提高108倍,横向应力可以提高43倍;IDE参数对电场的均匀区域大小和电场强度大小影响比较大。

电极非对称对压电材料驱动性能的影响

采用有限元法分析了外加电压分别作用于交叉指型电极(IDE)压电纯陶瓷材料和压电纤维复合材料时的静电场分布,研究了IDE非对称及非对称的程度对某一厚度压电材料驱动性能的影响,讨论和比较了非对称程度由小变大对不同厚度压电材料驱动性能的影响,以及其变化对压电材料电场集中和应力集中的影响。研究结果表明,对于压电纯陶瓷材料,在厚度较小时,电极非对称对驱动性能的影响不明显。随着厚度的增加,电极非对称程度越大,对驱动性能的影响越大,总体是使驱动应变下降。不管压电材料的厚度如何变化,在增大电极非对称的程度时,电场的不均匀性总是呈增大趋势。电极非对称程度的提高对厚度较小的压电材料的驱动应力提高明显,且应力集中程度无明显增大。对于压电纤维复合材料,电极与压电纤维之间夹层厚度越大,则非对称程度增大的影响越大。

压电纤维复合材料悬臂梁发电性能分析

研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析。结果表明:叉指电极结构尺寸对工作于d33模式的压电纤维材料悬臂梁俘能器输出电压影响较大。d33模式俘能器具有能产生高电压、低电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.75时,俘能器产生电荷量最大。而d31模式俘能器具有能产生低电压、高电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.6时,俘能器的输出电压最大。相对于d33模式压电纤维材料,工作于d31模式压电纤维材料更适合作为发电材料使用。

压电纤维复合材料的研究

以提高交叉指形电极压电纤维复合材料诱导应变和挟持应力为目的,采用有限元软件ANSYS分析了电极区聚合物参数、交叉指型电极结构和压电相体积分数对压电纤维复合材料诱导应变和挟持应力的影响。结果表明:增加电极区聚合物的介电常数或减小电极区聚合物的厚度,能够提高元件的诱导应变和挟持应力,元件诱导应变最大可达173με;减小分支电极的周期或者适当增大分支电极的宽度,可以有效地提高元件的作动性能;提高压电纤维体积分数,有利于提高元件的作动性能。

压电纤维复合材料的静电场分析

采用有限元法分析了外电压作用于压电纤维复合材料时的静电场分布,讨论了静电场对元件极化和作动性能的影响,研究了电极区聚合物的介电常数和厚度尺寸,及其IDE宽度和周期对压电纤维复合材料静电场的影响,研究结果表明:增加电极区聚合物的导电性,压电纤维复合材料静电场可以得到显著提高,最大可以提高54倍;减小电极区聚合物的厚度,同样可以显著提高静电场,最大可以提高55倍。IDE参数对电场的均匀性区域大小和电场强度大小影响也比较大。

软体机器人用柔性泵的有限元分析与工艺优化

针对软体机器人用流体驱动器存在性能不理想且制造工艺较为复杂的问题,提出一种利用电液动力学现象的高功率密度柔性泵及其工艺优化方法。该柔性泵由交叉指型电极构成,可根据外加电压的极性来控制流向。提出一个简单的电极配置模型来分析产生的电液动力学现象,并利用有限元分析来优化电极之间的距离,以最大化单位长度产生的压力和流速。通过在电极制作过程中引入切割绘图机,并采用粘接弹性体实现了可靠、高效的制造工艺。研究结果表明:当电极之间的距离最佳比值为3.4时,单位能耗产生的压力达到最大值为118.6 kPa/W,流速为145 mL/min。此外,相同配置制备泵之间的压力误差和流速误差分别为3.4%和4.4%,验证了电极配置模型的有效性和制造工艺的可靠性。与其他流体泵相比,该泵表现出更高的性能,且即使发生弯曲也可正常工作,在可穿戴设备和软体机器人中具有较高的工程应用价值。

压电纤维复合材料有限元模拟及其试验研究

考虑压电纤维复合材料(MFC)压电陶瓷纤维层和指间交叉电极设计,假定压电陶瓷纤维极化方向相同,设置递进的电压边界条件,建立MFC均匀压电层等效有限元模型,借助ANSYS-APDL软件进行结构-压电耦合场仿真,模拟其工作的真实变形;同时进行自由应变和阻滞力的数值测试,数值上验证了有限元模型,修正纤维纵向压电应变常数d_(33)。对含有MFC驱动器的铝合金悬臂梁进行数值和试验研究,验证了该模型的准确性。与细观尺度上的MFC有限元模型相比,该有限元模型节约了计算成本,可应用于实际工程中。结果表明,MFC激励法用于振动特性分析时,操作简单,重复性好,信噪比高。