预压力对压电叠层作动器性能的影响

由于压电叠层作动器只能承受压力,为了保证压电智能主动杆能够承受一定的拉力,设计了预压装置。为了考察压电叠层作动器在受压情况下的工作性能,设计了压电叠层作动器的受压性能实验。实验结果表明,在一定的压力作用下,输出位移增加,迟滞度减小。分析认为,在压力作用下压电陶瓷晶体结构发生变化,对逆压电效应产生影响,在电场作用下导致输出位移增大和迟滞度减小。

压电叠层作动器机电性能实验分析

对压电叠层作动器的机电性能进行了实验测试与分析。主要测量了重复精度、稳定性、不同负载的位移输出、迟滞度、刚度特性等参数,为确定作动器在主动杆中的最优预载荷等提供参考数据。实验结果证实了作动器的重复精度为±0.5μm,最大漂移量为0.1μm,机电特性与外加负载有很大关系:一定压应力下的压电作动器输出位移增大,位移输出迟滞度会有一定程度的改善;弹性模量随应力和驱动电压的增大而逐渐增大,但电压升至一定程度时将基本趋于稳定。

压电叠层传感/致动器的特性研究

压电叠层传感/致动器是智能主动构件中的重要组成部分,是一个机电耦合的交互系统。给出了压电叠层传感/致动器的设计原理,并对压电叠层传感/致动器的动静态工作特性进行了实验研究与分析,揭示了其输出位移大、稳定性和重复性好、滞后效应小等优良特性,为研制性能优良、稳定的智能主动构件提供了依据。

悬臂压电叠层复合梁的弯曲振动固有频率

压电叠层复合梁是一种三叠片对称结构。这里以压电陶瓷-金属-压电陶瓷复合结构为研究对象,给出了悬臂式对称压电复合结构的压电振子弯曲振动共振频率表达式,并建立了相应的有限元模型;计算分析了压电陶瓷-金属复合梁弯曲振动的固有频率值与几何尺寸之间的关系,并与相应的有限元模态分析结果进行了比较。结果表明,两种分析方法得到的压电振子的固有频率值基本符合,计算公式和模型是精确有效的;压电叠层复合梁愈细长则表达式的计算结果愈准确。

基于压电叠层振动的一种直线电机的设计

设计了一种利用压电叠层的微幅振动的新型压电直线电机。分析了非共振状态下电机的工作机理,设计了电机的定子结构和总体结构。利用有限元软件对驱动足进行仿真分析,得到了柔性结构的最佳尺寸。制作了样机并进行测试,试验表明电机的运行速度随激励频率和激励电压的增加而增加,且在一定阈值内近似成线性关系。当驱动电压峰峰值为100 V、频率为1.6 kHz时,电机的空载速度可达2.8 mm/s,最大推力可达3.5 N。该电机工作频带宽、驱动电压低,对电机的结构精度和加工精度要求不高。

考虑外部阻抗的压电叠层作动器机电耦合模型

压电叠层作动器在结构振动控制及其它场合表现出良好应用前景,建立能够反映其物理本质的数学模型非常重要。以压电材料的本构关系以及杆的纵向振动方程为基础,考虑外部阻抗的影响,推导了短路机械阻抗、电阻抗以及转换系数的表达式,并构造了转换方程,从而建立了能够描述压电叠层作动器与主体结构之间机电耦合特性的阻抗模型。理论分析和数值模拟结果表明外部阻抗对这些参数有重要影响:当两端的外部阻抗完全相同时,作动器的电阻抗和转换系数有最高的共振频率,作动器可看成两个具有固定-自由边界条件的作动器的串联。其它情况下则均有不同程度的降低。因此,为实现更好的控制效果需要考虑阻抗匹配问题。

在主减速器斜撑杆上安装压电叠层作动器的直升机主动隔振

采用安装在主减斜撑杆上的压电叠层作动器建立了直升机主动隔振系统。基于压电材料本构关系推导了压电叠层作动器的驱动方程,建立了压电叠层作动器驱动的主减主动隔振系统动力学模型。采用了自适应滤波控制方法,通过最小均方算法实现了自适应控制。直升机主动隔振仿真实验表明了该系统具有高效的隔振效果。

基于压电叠层作动器的柔性自旋导弹振动控制

针对柔性自旋导弹弹性振动问题,提出将压电叠层作动器应用于导弹弹性振动控制方法。将导弹简化为非均匀自由-自由Timoshenko梁模型,考虑陀螺效应和推力作用,将压电叠层作动器应用于导弹弹性振动,基于有限元方法建立含有压电叠层作动器的柔性自旋导弹动力学模型,同时设计模糊滑模控制器,对质量偏心引起的不平衡响应进行数值仿真,通过与不同控制方法进行对比,验证该方法的有效性。

一种紧凑型压电叠层直线电机驱动足的优化设计

在使用压电叠层时一般会设计防剪切机构,未设计防剪切机构时需要对驱动足结构进行仿真设计,减小压电叠层所受剪切力。为此,提出在无防剪切机构时电机驱动足的结构优化方法,并对一种紧凑型压电叠层直线压电电机驱动足进行仿真优化。通过优化把横向压电叠层输出端的旋转变形由1.333μm减小至0.061μm,纵向平移变形由1.911μm减小至0.749μm,机构的最大等效应力由253.35 MPa减小至189.68 MPa,显著改善了压电叠层的工作环境。提出一种并联S形弹簧机构,给出该结构的优化设计方法并进行仿真设计。仿真结果表明:该机构有较大的刚度范围,可以有效降低压电叠层所受剪切力;在相同刚度的情况下,具有弹簧宽度越大最大等效应力越小的特点。

压电叠层作动系统柔性机构的仿真设计

压电叠层作动系统柔性机构的合理设计有利于提高压电叠层的机械输出性能。提出了3款压电叠层作动系统的柔性机构,为获取压电叠层合理的输出力和输出位移,利用ANSYS Workbench软件仿真分析了柔性机构中悬臂梁与导向块位移的关系,并与悬臂梁的位移方程对比,验证了仿真结果的合理性。仿真分析结果表明:双侧平行悬臂柔性机构可充分发挥压电叠层输出性能。

高于居里温度极化的硬性PZT压电陶瓷的制备及叠层驱动器性能研究

压电叠层驱动器具有低驱动电压、大位移的特点,被广泛应用于诸多领域。作为目前压电叠层驱动器中最常使用的材料,软性锆钛酸铅(PZT)陶瓷较大的介电常数和损耗往往会导致较高的功耗和发热量,进而影响驱动器的疲劳特性和稳定性。为了制备出低发热量、适用于压电叠层驱动器的压电陶瓷,本工作选取Mn掺杂(摩尔分数)的Pb(Sb_(1/2)Nb_(1/2))_(0.02)Zr_(0.51)Ti_(0.47)O_(3)-0.6%MnCO_(3)(PSN-PZT)硬性压电陶瓷作为基体材料,通过掺入一定含量的Li_(2)CO_(3)烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度,并采用高于居里温度极化工艺进一步提升陶瓷的电学性能。最后采用该材料,利用流延工艺制备出压电叠层驱动器,并与相同工艺制备的Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.25)(Ti_(0.48)Zr_(0.52))_(0.75)O_(3)(PMN-PZT)驱动器进行比较。结果显示,Li_(2)CO_(3)通过引入液相烧结的方式将PSN-PZT陶瓷烧结温度降低至1050℃。当Li_(2)CO_(3)含量为0.1%(质量分数)时,高于居里温度极化的PSN-PZT陶瓷电学性能最优,其压电系数(d33)和2 kV/mm电场下的单极应变分别为388 pC/N和0.13%。在200 Hz下,PSN-PZT驱动器温升比PMN-PZT驱动器低大约20℃,且经过5×10^(6)次循环后应变仅降低6%。这表明Li_(2)CO_(3)低温烧结的PSN-PZT陶瓷不仅具备不错的压电性能,而且在发热和疲劳特性方面有较大优势,在大功率、高频等苛刻工况中有潜在的应用前景。

压电叠层作动器迟滞特性模型

压电叠层作动器是智能主动杆的关键部件,迟滞非线性是影响其控制应用的重要方面。在对迟滞特性进行分析的基础上,根据压电叠层作动器的工作特征,采用修正经典Preisach模型对压电作动器的迟滞特性进行建模,以预测压电作动器的位移输出,并进行了相应的实验分析。与随机电压序列的实测输出结果进行比较,该模型的误差范围小于2μm,明显优于线性模型,能更准确地预测作动器的位移输出,为实现精密的作动控制提供了可能。

叠层型压电驱动器技术及实验研究

叠层型压电陶瓷利用逆压电效应可以得到精确的微位移量。介绍了叠层型压电驱动器的性能特性。并基于正交三角放大原理设计了一种微位移放大机构,使其将叠层型压电微位移器的位移量放大。实验结果表明,驱动器各项指标均达到设计要求,证明了设计理论的正确性。

直升机振动主动控制的机身/压电叠层作动器耦合优化法

直升机振动主动控制通常使用惯性作动器,一般惯性作动器的附加重量要占到机体重量的4%～5%才有较好的控制效果。压电叠层作动器(PSA)作为轻质、高效的执行元件用于直升机振动主动控制可有效地降低附加重量、提高控制性能。本文将压电叠层作动器用于直升机振动主动控制,并提出了机身/压电叠层作动器耦合优化法。采用基于频率响应函数的子结构法建立了直升机机身结构/压电叠层作动器的耦合频域方程,以最小化被控加速度响应为目标研究了压电叠层作动器的安装位置及控制器参数优化问题。采用实数编码遗传算法同时优化离散位置变量和连续控制加权参数变量,以得到在控制电压约束范围内的最有效振动抑制。对一个简化的弹性线机身模型进行了数值分析和时域控制仿真,结果表明所提方法能有效地找到最佳振动抑制参数,得到显著的振动抑制效果。

采用压电叠层作动器的弹性梁振动主动控制实验研究

结构响应主动控制系统中常用的惯性作动器由于附加质量大、工作频带窄和响应速度慢等缺点,降低了控制系统的性能。压电作动器具有质量轻、工作频带宽和响应速度快等优点,作为高效执行元件能有效地提高控制系统的性能。本文采用压电叠层作动器驱动自由-自由弹性梁模型,以观测点的加速度响应为控制目标,采用频域谐波稳态控制策略进行了自由梁结构谐波振动响应主动控制实验研究。实验结果表明,本文建立的采用压电叠层作动器的结构响应主动控制系统能有效地控制弹性梁结构的振动水平,并具有快速跟踪外激励变化的自适应控制能力。

粘结层对不同形状叠层压电振子发电性能影响

针对悬臂梁叠层压电振子,利用ANSYS软件仿真分析了其自由端尺寸的改变对于压电振子的输出电压及其固有频率的影响,并得到了叠层压电振子在结合面上的切应力的变化关系。研究表明,在相同条件下,随着自由端尺寸的减小,压电振子的开路电压、基频均有不同程度的增加,但其结合面上的切应力却有较大程度的增幅(最大为74%),这种变化易使叠层结构发生抗剪强度不足的破坏。

基于DC-DC升压和LC振荡的叠层压电陶瓷驱动电源研究

根据叠层压电陶瓷的大容性负载特性,在电路分析的基础上提出了基于DC-DC升压变换器和LC振荡的驱动控制电源,在驱动电路中加入偏置电压,使输出电压在-20V到100V之间,满足叠层压电陶瓷的驱动要求。将此驱动器用于压电直线电机,电机运转平稳,电路功耗小,通过匹配不同的电感实现了宽频率范围驱动。

基于变截面的叠层压电振子粘结层厚度优化分析

利用压电振子采集环境中振动能量的研究中发现粘结层厚度对压电振子的抗剪强度及发电性能均有较大影响。因此文中以变截面形状悬臂梁叠层压电振子为对象,利用ANSYS有限元分析软件仿真模拟了其粘结层厚度改变时对其抗剪性能、低频振动能量转换效率的影响。研究结果表明：随着粘结层厚度的增加,叠层结构中粘结层的抗剪强度有所提高,但对环境中的低频振动响应却减弱。综合分析表明,当变截面压电振子自由端尺寸为12 mm（约为矩形截面尺寸的85%）,且粘结层厚度控制在约为基底层厚度的1/4~1/5时,叠层压电振子的能量转换效率及抗剪强度最理想。

粘结层厚度对叠层压电振子的影响分析

利用压电振子采集环境振动能量为低功耗电子产品供能是近年研究的热点,而叠层压电振子中,粘结层厚度对压电振子的发电能力以及压电振子的抗剪性能均有较大影响。文中针对悬臂梁叠层压电振子,利用ANSYS软件仿真分析了其粘结层厚度不同时对于压电振子的输出电压、固有频率以及抗剪性能的变化关系。结果表明,在相同条件下,随着粘结层厚度的增加,压电振子的开路电压有一定程度的减小、基频基本成线性增加,但其结合面上的切应力却有较大程度的减小(最大为40%)。

考虑粘结层的悬臂压电振子发电性能分析

利用压电振子将环境中的振动能量转换为电能是近年研究的热点，研究发现，叠层压电振子中，粘结层厚度对压电振子的发电性能以及抗剪强度均有较大影响。针对矩形、梯形截面形状悬臂梁叠层压电振子，利用ANSYS有限元分析软件仿真分析了其粘结层厚度不同时对于叠层压电振子发电性能及抗剪强度的影响关系。结果表明：随着粘结层厚度的增加，虽然梯形截面叠层压电振子对低频振动的环境能量转换效率要高，但梯形截面压电振子会比矩形截面更容易发生剪切破坏；综合分析表明当粘结层厚度控制在基底层厚度的（1／4～1／5）左右时，叠层压电振子的发电性能及抗剪强度较为理想。