直流电激励下的IPMC弯曲大变形力-电耦合模型

为了描述离子聚合物金属复合材料(ionic polymer metal composites,简称IPMC)悬臂型驱动器在直流电激励下的非线性大变形行为,采用数字图像相关法(digital image correlation,简称DIC)获得的IPMC应变梯度与激励电压间的关系,与修正后的IPMC电极分布式电阻电容(resistor-capacitor,简称RC)电路模型相结合,提出了一种具有解析解的IPMC弯曲大变形力-电耦合模型,并采用Pt电极和Ag电极两种IPMC试样对该模型进行了实验验证。结果表明,该模型能够准确地反映IPMC悬臂型驱动器在直流电激励下的整体弯曲变形现象,且适用于采用沉积法制备电极的IPMC驱动器。

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。

含水率对岩石电荷感应信号影响规律研究

水是诱发矿井灾害的主要因素之一,研究水-岩相互作用下的岩石破坏电荷信号,可丰富矿井水引起灾害的监测方法。为研究含水率对岩石破坏电荷感应信号的影响规律,基于损伤理论推导了岩石损伤破坏力-电耦合模型,得到了感应电荷量与岩石力损伤和水损伤的理论关系。利用自主研制的电荷感应信号数据采集系统,对不同含水率条件下的岩石试样进行了单轴压缩电荷感应信号监测试验,分析了水对岩石力学性质和岩石破坏过程中各阶段电荷感应信号的影响规律,并对含水率影响感应电荷产生的机制进行了讨论。结果表明:岩石变形破坏过程中的电荷感应信号与岩石的损伤程度有关,累积感应电荷量与感应电荷总量的比值可以表示岩石在水和力作用下的损伤量,且含水率越高,试样越易在较低的应力下产生大量的电荷感应信号。不同含水率岩石的宏观破坏特征明显不同,随着含水率升高,岩石的抗压强度降低,裂隙发育,岩石破坏形式由单剪式破坏向张拉和剪切混合破坏转变。电荷感应信号分布形态上,含水率的升高使得高幅值电荷簇数增加,并向弹性阶段发展,且高幅值电荷感应信号主要分布在弹性阶段后期和塑性阶段。感应电荷量上,随着含水率的升高,弹性阶段的感应电荷释放量占比逐渐增大,塑性阶段占比逐渐减小,两阶段的感应电荷量之和占试样变形破坏过程中产生感应电荷总量的90%以上。水通过弱化岩石颗粒和渗透压作用,使岩石在较低应力下产生或扩展裂隙,感应电荷信号更丰富。

新型双稳态压电振动俘能系统的理论建模与实验研究

针对线性压电俘能系统的共振频带窄、俘能方向单一、发电效率低等问题,设计了一种双稳态磁力耦合多悬臂梁俘能结构。利用广义Hamilton变分原理建立了系统分布式力-电-磁耦合模型,结合数值计算和实验验证方法揭示了磁铁间距、外界振动激励条件对压电俘能系统响应特性的影响规律。研究结果表明:在合适的磁距和外界振动激励条件下,系统的输出电压可达18V,是线性压电振动俘能系统的3.5倍,有效工作频带是线性压电振动俘能系统的3.1倍,说明双稳态压电振动俘能系统具有明显拓宽有效工作频带和提升发电效率的能力,为压电俘能系统工程化应用提供了理论依据。

基于FFT方法的碳纳米管增强复合材料微尺度力电行为研究

为揭示碳纳米管空间非均匀分布效应对碳纳米管增强复合材料微尺度力学、电学性能的影响规律,采用快速傅里叶变化(FFT)方法,建立了FFT微尺度力-电耦合模型,并与文献中实验数据与理论计算结果进行对比,验证该模型的高效性、准确性和适用性。探究一维纳米导电填料(1D-NCF)的弯曲、取向等空间非均匀分布对复合材料力学、电学性能的影响。结果表明:当1D-NCF体积分数≤2%,等效电导率随着1D-NCF团聚率的增加先减小后增大,随最大取向角的增加而增加。当1D-NCF体积分数≥3%,饱和等效电导率随着团聚率、最大取向角的增加而减小。研究可为纤维基柔性力学传感材料的优化设计及构筑提供参考。