基于压电纤维复合材料半主动干摩擦阻尼器的设计与实验研究

针对薄壁结构的振动问题,设计了一种铺设压电纤维复合材料(Macro-Fiber Composite,MFC)的波纹形柔性干摩擦阻尼器。介绍了波纹形半主动干摩擦阻尼器的结构形式和驱动原理。通过准静态试验探究了阻尼器在不同电压序列下输入电压与输出正压力的关系,揭示了MFC驱动变形的迟滞非线性,并据此提出了局部线性化的驱动方案,规避了迟滞非线性给正压力控制带来的挑战。在此基础上,对安装上述阻尼器的悬臂梁结构开展了振动试验。结果表明,在设计工况下该阻尼器的减振效果良好,质量占比仅为5%的阻尼器即可使振动峰值下降79%;该半主动干摩擦阻尼器显著拓宽了有效工作范围,当振动水平为设计工况的9倍时,通过MFC驱动调控正压力,减振比例仍可保持在约75%,避免了阻尼效果的大幅衰减。

压电纤维复合材料对悬臂结构的作动行为研究

压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)是由美国NASA研发的综合性能优秀的新型压电材料,掌握MFC的力学行为有利于将其投入结构变形控制、减振降噪和健康监测等领域.目前对MFC宏观力学行为的研究中缺乏对作动力与驱动电压直接关系的研究,现有的以MFC为作动器的应用中所使用力电关系的精度有限,不利于将MFC投入更精密的使用场景.针对此问题,文章采用经典板理论,考虑了MFC与受控结构的相对尺寸,推导了MFC对悬臂结构的作动力方程.为兼顾计算的准确性和便利性,建立了考虑MFC叉指电极真实电场的精细有限元模型开展压电静力仿真,给出将MFC叉指电极的弯曲电场简化为匀强电场的修正系数.搭建MFC-悬臂梁结构的实验装置,对有限元模型和作动力公式加以验证.精细模型与简化模型的仿真结果与实验进行对比,总体误差较小,验证了模型和修正系数的可靠性.理论计算与仿真结果对比,误差在1%以内,表明所得作动力预测公式在较大的宽度比范围内均具有较好精度.建立的MFC作动力模型对MFC应用于悬臂结构的变形控制和振动抑制有一定指导意义.

基于场致应变的钛酸铋钠基压电纤维复合材料性能研究

基于钛酸铋钠基无铅陶瓷制备压电纤维复合材料,并研究BNT基压电陶瓷纤维体积分数对复合材料的影响。研究结果表明:随压电陶瓷体积分数的增加,自由应变和顶端位移增大;当压电陶瓷体积分数为81.40%时,在0~1500 V正弦电压激励下,自由应变和顶端位移最大分别达到543×10^(-6)和14.92 mm;在循环寿命实验中,经历1.0×10^(6)次循环后性能依然稳定,具有优异的耐疲劳性能,作为柔性驱动器应用前景广阔。

基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器研究

沙尘暴是一种多发于沙漠等干旱地区的灾害天气,建(构)筑物常受其影响被侵蚀甚至产生破坏,这种破坏的本质是风沙两相流中沙粒对结构表面冲击产生细微损伤的积累。为了深入探索这种风沙两相流对结构的冲击作用和沙粒冲击力在结构表面的分布规律,研究了采用压电纤维复合材料作为力传感器来测量风沙流场中沙粒冲击力的方法,通过标定试验建立了压电传感器所受沙粒冲击力与其输出电信号之间的数学模型,构建了基于压电纤维复合材料的风沙冲击力传感器。分别采用高频测力天平和压电传感器测量低矮房屋迎风面在风沙风洞试验中所受到的沙粒冲击力,验证压电传感器测量沙粒冲击力的适用性和准确性。结果显示:两种测力方式的结果总体相差在-4.72%~5.80%,两种试验结果吻合良好;建筑物迎风面内侧所受到的沙粒冲击力大于外侧所受到的沙粒冲击力,沙粒冲击力的分布与表面风压力分布具有一定相关关系。研究成果可为结构防风沙灾害的相关研究提供参考。

柔性压电纤维复合材料传感器的制备及应用

随着智能器件及物联网的快速发展,柔性可穿戴压电传感器越来越受到人们的广泛关注。本文制备了柔性压电纤维复合材料传感器,证明其检测弯曲应变、弯曲角度和振动加速度的能力。结果表明:在悬臂梁振动试验中,柔性压电传感器的输出电压随着加速度增大呈现线性增加。在远离谐振频率的频率范围内,柔性压电传感器表现出良好的线性度,证明其可以用作传感器来检测振动加速度。在弯曲试验中,输出电压随着弯曲应变的增加而增加,弯曲变形下每微应变的输出电压达到8.54 mV,具有优异的灵敏度。随着弯曲频率的变化,柔性压电传感器输出电压幅值无明显变化,说明其具有良好的传感稳定性。通过10万次循环弯曲测试,其输出电压幅值没有明显下降,证明其具有良好的疲劳性能。

压电纤维复合材料的管道结构健康监测应用

管道实时结构健康监测对工程应用具有重要意义,压电纤维复合材料在与管道结构共形时保持压电阻抗特性,对管道结构进行健康监测。本文制备了压电纤维复合材料,研究了复合材料厚度对电阻抗特性的影响,厚度大于250μm时阻抗峰值下降50%。基于压电纤维复合材料进行了结构载荷监测应用验证,通过相关系数偏差值(R_(C))和均方根偏差(R_(M))方法对结构受到损伤时的压电纤维复合材料阻抗敏感特征进行量化,并基于无损状态建立了损伤阈值(U_(l))。当管道结构受到50 N载荷时,R_(C)指数达到0.51(U_(l)=0.005);螺栓结构松动50%时,R_M指数达到7.96(U_(l)=0.63)。结果表明,压电纤维复合材料可以对管道结构应力状态变化和螺栓松动进行灵敏响应,适用于管道等复杂曲面结构进行结构健康监测,应用前景广阔。

柔性压电纤维复合材料驱动器的驱动特性研究

本文通过分析柔性压电纤维复合材料驱动器(Flexible Piezoelectric fiber composite actuator Device,FPD)的变形驱动机制,提出了一种基于铁电参数预测其工作电压范围的方法,基于压电方程推导了FPD驱动力的表达式,并经实验测定验证了所提方法的可靠性。此外,基于所提方法研究了有效宽度对机电阻抗性能和驱动性能的影响规律。结果表明:基于铁电参数预测FPD工作电压范围的方法合理可行,FPD的许用工作电压在负向次矫顽电压到正向极化电压之间,且偏置/非对称电压驱动模式可以同步实现大应变和小迟滞;基于压电方程计算FPD驱动力的方法有效可靠,FPD的驱动力正比于其压电应变系数、弹性模量、横截面积及外加电场;随着有效宽度的增加,FPD的电容和驱动能力增加,阻抗减小,主谐振峰、自由应变和迟滞基本不变。

压电纤维复合材料在结构减振中的应用

介绍了压电纤维复合材料,并利用该材料设计了自传感驱动器,并将其应用于梁的频响辨识。将该材料用于飞机垂尾的减振系统,目的是为了抑制在飞行过程中产生的振动和测试压电纤维复合材料在尾翼振动主动控制方面的性能表现。试验结果表明,该材料具有良好的传感和驱动性能,并且减振效果优于压电陶瓷。

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。

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。

TiO_2含量对压电纤维复合材料抗拉及驱动应变性能的影响

采用粘稠塑性加工方法制备了锆钛酸铅方形压电纤维复合材料,研究了环氧树脂中不同Ti O2含量对压电纤维复合材料的电学阻抗、抗拉及驱动应变性能的影响。结果表明:环氧树脂中Ti O2含量不同,压电纤维复合材料的谐振频率不同。压电纤维复合材料的抗拉强度及纵向自由应变值均随着环氧树脂中Ti O2含量增大先增加后减小。环氧树脂中Ti O2含量为3wt%的压电纤维复合材料的抗拉强度达到了77.50 MPa,且在驱动电压为-500 V^+1500 V时,其纵向自由应变值达到了1783.7με。当环氧树脂中Ti O2含量从3wt%增大至5wt%时,压电纤维复合材料的抗拉性能和驱动应变性能均有所降低。在不同的外加驱动频率下,压电纤维复合材料表现出不同的驱动应变能力。随着频率的增大,压电纤维复合材料的纵向自由应变幅度表现出明显降低,当频率超过5 Hz后,其纵向自由应变值略有减小。

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。

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。

压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学研究

本文对横向激励作用下的1-3型压电纤维复合材料层合壳进行了非线性动力学分析,并研究了压电特性对结构振动响应的影响.首先建立了压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学方程,并且在已知的几何结构和材料特性基础上考虑了电场属性.然后根据位移边界条件,选择合适的振型函数,通过Galerkin方法将运动控制方程转化成两自由度的非线性常微分方程.通过数值模拟方法分析了横向激励和压电系数对压电纤维复合材料层合壳非线性振动特性的影响.通过波形图、三维相图、庞加莱图和分叉图等来研究壳体不同类型的周期和混沌运动.结果表明,外激励作用下结构存在复杂的非线性振动响应,同时压电参数对层合壳结构振动响应具有很强的调节作用.

叉指式压电纤维复合材料驱动器的结构优化

叉指式压电纤维复合材料(Interdigitated Electrodes Piezoelectric Fiber Composites,IDEPFC)利用纤维形的压电相和叉指形电极相互作用,提高了复合材料的韧性,因其特有的压电正交异性驱动性能,在智能材料与结构中有着广泛的应用前景。基于COMSOL Multiphysics仿真计算平台,采用有限元分析方法,计算了1-3型压电陶瓷纤维复合材料中关键的叉指式电极(IDE)几何尺寸与压电陶瓷纤维基体的度之间的关系对IDEPFC驱动性能的影响规律,分析了压电陶瓷纤维直径、分支电极宽度与电极间隙对叉指式压电纤维复合材料驱动应变的变化影响趋势。结果表明:当电极宽度等于基体厚度的一半时,可得到最优的正交异性驱动性能;采用直径越小的压电陶瓷纤维,从而减少基体厚度,有助于提高IDEPFC的驱动灵敏度;减小电极间隙可以降低驱动电压,当电极间隙与基体厚度的比值大于4时,可以获得最大的驱动应变。研究成果为叉指式压电纤维复合材料的优化设计提供了理论指导。

1-3型压电纤维复合材料的细观力学模型及其力电宏观参数研究

基于均匀场理论和细观力学方法提出了弹簧串并联模型和电容串并联模型来分别描述1-3型压电纤维复合材料的力学性能和电学性能,并采用此模型对压电复合材料的宏观力学和电学性能参数进行了预报。在沿着纤维方向,采用并联模型来描述1-3型压电纤维复合材料的力学和电学特性,因为在这个方向上压电纤维和基体连续并联分布;在垂直纤维方向,模型既含有串联部分又含有并联部分,从而对整体而言形成了混合串并联模型。算例结果相互比较表明该模型对1-3型压电纤维复合材料有准确的描述。

1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响

采用有限元方法对1-3型压电纤维复合材料(Macro-fiber composites,MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响。结果表明:分支电极中心距p一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电板结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍。较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,但夹持应力则相应降低。

压电纤维材料驱动下复合板扭曲变形效率分析

含有主动材料的复合结构越来越多地应用于自适应结构中。主动纤维材料的应用为复合结构带来了新的特性也使其设计更为复杂。针对受压电纤维材料(MFC)驱动的主动材料复合板的变形进行研究,目的在于获得MFC驱动复合板扭曲变形与MFC纤维铺设及驱动模式的关系。基于弹性力学理论建立了受电压作用主动纤维产生的应变与由此导致的复合板的内力、变形之间的关系,并利用Ritz法,通过假设双向梁函数组合级数的位移场建立了该问题的求解方法,经推导得到了MFC驱动下位移场的求解方程,实验结果验证了其有效性。为了评估MFC驱动复合板在不同条件下的驱动效果,针对复合板变形所具有的弯扭耦合特点,在定义复合板截面等效扭转角和等效弯曲角的基础上提出了主动复合板驱动扭曲变形效率的概念和计算方法,利用该方法分析了MFC的铺设角度以及电压驱动模式对复合板扭曲变形效率的影响。依据分析所得到的结果给出了对应不同约束条件的MFC驱动复合板主动纤维布置及驱动模式的选择方案。

粘结层对压电纤维复合材料机电响应行为的影响

本文从功能材料力-电耦合的角度分析了粘结层参数对压电纤维复合材料(macro fiber composites, MFC)机电响应行为的影响。通过有限元模拟计算发现,减少粘结层厚度及增大其介电常数有利于缓解MFC介电失配现象,提高有效电场加载,从而获得高压电性。试验制备了MFC并进行了驱动及传感性能表征,试验结果与模拟仿真一致。减少粘结层厚度和弹性模量,及增大其介电常数,能有效增大MFC尖端位移和输出电压,提高驱动和传感性能。该研究对驱动和传感用MFC的设计提供了指导。

不同阶外激励下压电纤维复合材料悬臂板的内共振特性分析

本文研究了不同阶横向激励作用下压电纤维复合材料(MFC)悬臂板的非线性动力学特性.基于Reddy一阶剪切板理论,引入von Kármán几何非线性理论,利用Hamilton原理建立了结构的非线性动力学控制方程.讨论在不同结构尺寸下的前三阶固有频率,利用Galerkin方法将系统离散为三自由度的非线性常微分方程.考虑主参数共振-1:3:5内共振,分析不同阶外激励作用下压电纤维复合悬臂板的非线性振动响应.数值模拟结果表明,复合材料板几何尺寸增大时结构的固有频率降低.此外,不同阶的横向激励幅值对结构的非线性振动影响很大,为实际工程应用提供理论支持.