叉指电极环形叠堆压电陶瓷有限元分析

基于增加环形叠堆压电陶瓷的输出行程以满足主动减振需求的目的,采用了叉指电极的设计方式,通过ABAQUS软件对压电陶瓷的模型进行有限元分析试验,对不同电极参数分别分析其力学性能。研究结果表明,在驱动电压400 V下,叉指电极环形叠堆压电陶瓷作动器输出位移可以达到普通型作动器的2.4倍,其输出力降低为普通型的44%。叉指电极环形叠堆压电陶瓷的研究为大输出位移的叠堆压电陶瓷作动器的设计提供了一定的理论依据。

叠堆式压电陶瓷基本特性实验研究

本文针对应用于高速电主轴振动主动控制的叠堆式压电陶瓷(PZT)作动器进行实验测试和分析。主要测试了其基本特性,包括自由状态下的输出位移,不同压力下的输出位移,蠕变特性,PZT的迟滞特性;为主动控制系统提供基础数据。实验结果显示输出特性和外加负载的关系:合适压力下叠堆式压电陶瓷作动器输出位移最大,随着负载压力的增大位移输出迟滞度有一定程度的减小,但是过大的压力会导致输出位移的减小,其在恒定压力下的线性度优于弹性预压力下的线性度;其动态性能满足控制系统的要求。为后续研究提供了科学依据。

仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的结构设计

受具有高速巡游速度的金枪鱼的启发,提出了一种微脉动、大流量、仿尾鳍变截面振子无阀压电泵。以压电叠堆为激励源,设计了仿尾鳍变截面振子,实验验证了振子的二阶弯振和金枪鱼高速巡游的摆动模式一致。利用有限元分析软件ANSYS分析了振子的模态振型,提出了模态分离更好的Y型振子。为避免压电叠堆受力不均匀而受到损坏,采用钢球和隔离块作为压电叠堆传递力和振动的媒介,实现了压电叠堆和泵腔内液体的干湿分离。设计了二级杠杆/柔铰机构,放大了振子端部柔性叶片摆动幅度。最后,研制了样机,并进行了不同驱动频率下的仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的流量测量,结果表明,在80V正弦电压的激励下,激励频率为1 350Hz时泵的流量达到峰值(400ml/min)。本设计方案能够有效地提高泵的性能,满足工程实践中对大流量无阀压电泵的需求。

叠堆型压电陶瓷FBG电流传感器

大电流的实时测量是电力系统稳定、安全、可靠和经济运行的重要保证。该文研制了电流互感器和叠堆型压电陶瓷等元件结合的光纤Bragg光栅电流传感器。传感器通过电流互感器将被测大电流转换成直流低电压信号加载到叠堆型压电陶瓷上,在逆压电效应下,叠堆型压电陶瓷发生伸缩变化,带动粘贴在其上面的测量用光纤Bragg光栅发生形变,检测出测量用光纤Bragg光栅和温度补偿光纤Bragg光栅的波长移位,计算出波长位移之差即可反算出被测一次大电流。测试结果表明,此电流传感器的非线性误差为7.27%FS(满量程),灵敏度为0.056 7pm/A,重复性为7.69%FS。

一种叠层式压电陶瓷降压变压器

介绍了一种叠层式压电陶瓷降压变压器的基本结构、工作原理、等效电路以及通过等效电路法所计算的结果 ;介绍了这种变压器实验性样品目前已经达到的性能指标 ;介绍了制作这种变压器对材料性能的要求及研究现状。

细观结构特性对压电叠堆内部应力场的影响分析

压电叠堆的内部应力场是影响其可靠性的主要因素之一。基于COMSOL Multiphysics有限元软件,建立了精细尺度的压电叠堆有限元计算模型,通过理论分析验证了模型的准确性。对比分析了不同电极构型、陶瓷层厚度以及有无过渡段等细观结构特性对叠堆内部应力场的影响。结果表明,两种电极构型压电叠堆的内部都存在应力集中现象,叉指电极型叠堆的最大应力集中值远高于全电极;改变陶瓷层的厚度不影响叠堆内部应力集中的分布位置,最大切向应力随厚度的增大而减小,最大法向应力随厚度增大而增大;设置过渡段陶瓷可以有效地减少过渡部位活性陶瓷的最大应力集中值,增强压电叠堆的可靠性。

基于压电陶瓷叠堆的压电发电技术研究

利用压电陶瓷叠堆在外力作用下能产生电荷这一效应,对压电材料发电技术进行了理论和实验研究,并将所产生的电能经过电路调整,储存在锂电池组里,用于发电。经理论分析和实验研究发现,将0~60N的外力施加到压电叠堆上,最高可产生6.488V的电压。同时发现,稳压芯片LM2575HVT-12V输出电压为12V、电流为1A时,压电叠堆产生的电能,可通过1F超级电容器和LM2575HVT-12V组成的电路经过12h将12V-12Ah锂电池组充满。

新型压电叠堆驱动式射流管伺服阀的参数优化

针对目前航空工业对高频响、高精度的射流管伺服阀需求,设计了一款压电叠堆驱动式射流管伺服阀,分析了其工作原理,对其动态特性进行了分析。为进一步提高其性能,提出了一种采用正交因素分析确定关键参数合理范围,并进行响应面寻优的优化方法。采用该方法对压电叠堆驱动式射流管伺服阀的结构参数进行了最优参数的确定。仿真试验结果表明,优化后的伺服阀的性能得到了较大提升。

新型压电叠堆驱动式射流管伺服阀设计及性能研究

针对目前航空工业对高频响、高精度的射流管伺服阀需求,设计了一款压电叠堆驱动式射流管伺服阀,分析了其工作原理,研究了伺服阀的射流区及滑阀的特性,建立了其动力学模型,并通过仿真试验将其与传统的电磁式射流管伺服阀进行了对比分析。仿真试验结果表明:该型压电叠堆驱动式射流管伺服阀与电磁式射流管伺服阀相比,响应速度提升0.8 ms、频响提升5倍、稳定性好、控制精度高,且能达到需求的滑阀位移。该压电式射流管伺服阀的设计为改进传统的射流管伺服阀提供了一种新的方法。

叠堆型压电陶瓷驱动器的耦合模态分析

为了研究压电陶瓷驱动器的驱动性能,分析了以PZT-5H为驱动元件的叠堆型驱动器,采用简化的等效器件建立了电学模型。基于压电陶瓷材料的机电耦合特性运用ANSYS有限元分析软件对叠堆型驱动器进行了计算分析,得出输入电压与输出位移呈近似线性关系,通过控制压电陶瓷两端电压来控制其位移。仿真结果验证了此方案的有效性和可行性。该驱动器在自适应弹药上具有潜在的应用价值,可为弹头的偏转驱动装置设计提供参考。

路用叠堆式压电单元设计及性能分析

为提升路用压电单元的俘能效率和工作性能,设计并制作5种路用叠堆式压电单元结构。采用室内试验分析结构参数、负载阻抗和荷载特征对单元压电性能的影响,探究单元结构在极限受压和重复荷载作用下压电性能衰减的规律。研究结果表明:并联式结构能够有效降低单元开路电压,提供稳定的输出电压;开路电压与压电圆片厚度正相关但与堆叠片数无关;相同外径下圆片式单元的开路电压比圆环式高33.5%,具备更好的电学性能;输出功率随负载电阻增大呈先增大后减小的单峰特征,并且在915 kΩ阻值下产生11.0 mW的最大输出功率,表现出最佳的机电转换性能;开路电压随着荷载幅值增加近似线性增加,但随荷载频率增大小幅度减小;开路电压在3.0 kN与5 Hz荷载工况下达到240 V。压电性能衰减测试证明,所制备的压电单元结构满足高应力、多轴载作用的路用要求。

压电叠堆主动减振的神经网络PID实时控制

为实现对带有模型尾支杆支撑系统在吹风过程中振动特性的实时控制,以压电陶瓷叠堆为减振元件设计了尾支杆一体化结构;提出了神经网络PID(Proportion-integration-differentiation)实时控制方法,建立了该尾支杆一体化结构的运动方程,推导出神经网络进行系统识别的状态方程,以此为基础进行控制器的设计并基于Labview软件编写控制程序;最后在风洞中,对该控制方法的控制效果进行了试验验证。试验表明利用该控制系统可进行实时控制;对不同风速下激励的振动,控制后的均方根幅值(Root mean square,RMS)减小55%以上,且该控制方法具有良好的鲁棒性、可靠性和容错性。

Cymbal型压电堆叠阵列的振动分析

基于Kirchhoff薄板理论,推导了Cymbal型压电堆叠阵列在周期性均布载荷作用下的等效刚度,利用试验测定了堆叠阵列的阻尼因子,通过模态分析推导了系统的振型频率方程并获得在外部简谐激励下振动位移的一般解。由频率方程计算得到的各阶振型频率与采用有限元方法计算及试验测试的结果基本一致。

基于自锁结构的尺蠖式压电直线驱动器设计

设计了一种具有大行程、大输出力的尺蠖式压电直线驱动器。驱动器包括左、右2组结构相同的箝位机构、主驱动压电陶瓷以及输出方轴。该驱动器结构相对简单紧凑,并可断电自锁。箝位机构采用自锁结构,具有足够大的箝位力,因此驱动器可以有效实现较大的输出力。最后采用有限元法对箝位机构的位移、应力、振动模态以及固有频率进行了仿真分析,对其进行结构优化。

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷(Pb-Zr-Ti,简称PZT)叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明:位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。

高压应力下压电叠堆静态特性研究

研究了PZT5软陶瓷压电叠堆在100 MPa高压应力下、PZT4硬陶瓷压电叠堆在300 MPa高压应力下的位移输出特性变化,分析了应力对它们压电性能的影响,并对软陶瓷压电叠堆的重新极化问题和硬陶瓷压电叠堆的做功能力进行了讨论.实验结果表明,软陶瓷压电叠堆在适当的低压应力下,压电性能显著提高,较高的压应力下则出现退极化,卸载后重新极化可以恢复大部分性能.硬陶瓷压电叠堆在高压应力下压电性能有所提高,做功能力远高于低应力时,高压应力可更有利于发挥硬陶瓷的做功优势.

双压电二维叠堆执行器控制实验研究

针对双压电二维叠堆执行器的输出迟滞性问题,该文设计了一种双压电复合控制方法。先建立执行器数学模型并完成参数辨识,再结合非对称Bouc-Wen模型与增量微分、积分及比例(PID)模型,完成复合控制模型的建立,最后基于数字信号处理(DSP)控制器完成前馈控制、增量PID控制与复合控制的实验对比。结果表明,该复合控制方法能有效抑制执行器的输出迟滞性,当驱动电压峰-峰值为96 V,频率为500 Hz时,执行器滞环率仅为未控制时滞环率的31.6%,远低于前馈控制时滞环率(74.2%)及增量PID控制时滞环率(167.8%)。

一种采用叠层式降压型压电变压器的高频开关电源

介绍一种叠层式压电陶瓷降压型变压器的基本结构、工作原理、等效电路以及实验测试与等效计算的结果;介绍这种压电变压器用于高频开关电源产品的工作状态测试结果;叠层式降压型压电陶瓷变压器用于高频电源的优点及宽广的应用领域。

压电式快速控制反射镜的迟滞特性及线性化

针对压电式快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)的迟滞问题,分析了压电式FSM的工作原理和迟滞特性,建立了基于Bouc-Wen算子的压电式FSM的数学模型及其参数辨识方法。通过Bouc-Wen算子模拟压电式FSM输出镜面偏转角度中的迟滞分量,并根据在两个相位相同的输入驱动电压信号下压电式FSM的输出镜面偏转角度曲线辨识Bouc-Wen算子的全部参数。在此基础上,提出了压电式FSM的前馈线性化方法。为了验证提出的数学模型和线性化方法的原理,建立了压电式FSM及其线性化控制器的快速原型系统和Bouc-Wen算子参数辨识实验装置。实验结果表明:本文提出的参数辨识方法能够准确辨识压电式FSM的Bouc-Wen算子参数,提出的前馈线性化方法能够将压电式FSM的输出镜面偏转角度与输入控制电压的线性度提高到2.3%,迟滞误差减小到±0.5%,满足实际应用对精确控制压电式FSM的要求。

新型压电陶瓷驱动器的特性分析

讨论了一种基于压电陶瓷的新型叠堆驱动器,并阐述了其工作原理,推导出该驱动器的力学性能公式。基于压电陶瓷材料的机电耦合特性,运用ANSYS有限元软件对此驱动器进行了数值分析,研究了其驱动性能,分析结果表明,其输出位移和输出力均与输入电压呈线性关系,在较低电压下可获得较大变形量,且具有良好的动态响应特性。该叠堆压电驱动器结构简单、尺寸小、成本低,通过输入电压即可实现位移控制,可作为较好的自适应控制驱动器应用于智能摩擦阻尼器的驱动装置。