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A 3D multi-field element for simulating the electromechanical coupling behavior of dielectric elastomers 被引量:2
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作者 Jun Liu Choon Chiang Foo Zhi-Qian Zhang 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI CSCD 2017年第4期374-389,共16页
We propose a multi-field implicit finite element method for analyzing the electromechanical behavior of dielectric elastomers. This method is based on a four-field variational principle, which includes displacement an... We propose a multi-field implicit finite element method for analyzing the electromechanical behavior of dielectric elastomers. This method is based on a four-field variational principle, which includes displacement and electric potential for the electromechanical coupling analysis, and additional independent fields to address the incompressible constraint of the hyperelastic material. Linearization of the variational form and finite element discretization are adopted for the numerical implementation. A general FEM program framework is devel- oped using C++ based on the open-source finite element library deal.II to implement this proposed algorithm. Numerical examples demonstrate the accuracy, convergence properties, mesh-independence properties, and scalability of this method. We also use the method for eigenvalue analysis of a dielectric elastomer actuator subject to electromechanical loadings. Our finite element implementation is available as an online supplementary material. 展开更多
关键词 dielectric elastomer electromechanical coupling Implicit multi-field finite element method Eigenvalue problem
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A FINITE ELEMENT METHOD FOR DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS 被引量:3
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作者 Shaoxing Qu Zhigang Suo 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI 2012年第5期459-466,共8页
We present a finite element method for dielectric elastomer (DE) transducers based on the nonlinear field theory of DE. The method is implemented in the commercial finite element software ABAQUS, which provides a la... We present a finite element method for dielectric elastomer (DE) transducers based on the nonlinear field theory of DE. The method is implemented in the commercial finite element software ABAQUS, which provides a large library functions to describe finite elasticity. This method can be used to solve electromechanical coupling problems of DE transducers with complex configurations and under inhomogeneous deformation. 展开更多
关键词 finite element method dielectric elastomer electromechanical coupling
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Propagations of Rayleigh and Love waves in ZnO films/glass substrates analyzed by three-dimensional finite element method 被引量:3
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作者 王艳 谢英才 +1 位作者 张淑仪 兰晓东 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第8期468-473,共6页
Propagation characteristics of surface acoustic waves(SAWs) in ZnO films/glass substrates are theoretically investigated by the three-dimensional(3D) finite element method. At first, for(11ˉ20) ZnO films/glass ... Propagation characteristics of surface acoustic waves(SAWs) in ZnO films/glass substrates are theoretically investigated by the three-dimensional(3D) finite element method. At first, for(11ˉ20) ZnO films/glass substrates, the simulation results confirm that the Rayleigh waves along the [0001] direction and Love waves along the [1ˉ100] direction are successfully excited in the multilayered structures. Next, the crystal orientations of the ZnO films are rotated, and the influences of ZnO films with different crystal orientations on SAW characterizations, including the phase velocity, electromechanical coupling coefficient, and temperature coefficient of frequency, are investigated. The results show that at appropriate h/λ, Rayleigh wave has a maximum k^2 of 2.4% in(90°, 56.5°, 0°) ZnO film/glass substrate structure; Love wave has a maximum k^2 of 3.81% in(56°, 90°, 0°) ZnO film/glass substrate structure. Meantime, for Rayleigh wave and Love wave devices, zero temperature coefficient of frequency(TCF) can be achieved at appropriate ratio of film thickness to SAW wavelength. These results show that SAW devices with higher k^2 or lower TCF can be fabricated by flexibly selecting the crystal orientations of ZnO films on glass substrates. 展开更多
关键词 surface acoustic wave ZnO films electromechanical coupling coefficient temperature coefficientof frequency 3D finite element method
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Snap-through path in a bistable dielectric elastomer actuator
4
作者 Wenjie SUN Wentao MA +2 位作者 Fei ZHANG Wei HONG Bo LI 《Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)》 SCIE EI CSCD 2022年第8期1159-1170,共12页
The dielectric elastomer(DE)has attracted significant attention due to its desired features,including large deformation,fast response,and high energy density.However,for a DE actuator(DEA)utilizing a snap-through defo... The dielectric elastomer(DE)has attracted significant attention due to its desired features,including large deformation,fast response,and high energy density.However,for a DE actuator(DEA)utilizing a snap-through deformation mode,most existing theoretical models fail to predict its deformation path.This paper develops a new finite element method(FEM)based on the three-parameter Gent-Gent model suitable for capturing strain-stiffening behaviors.The simulation results are verified by experiments,indicating that the FEM can accurately characterize the snap-through path of a DE.The method proposed in this paper provides theoretical guidance and inspiration for designing and applying DEs and bistable electroactive actuators. 展开更多
关键词 dielectric elastomer actuator(DEA) SNAP-THROUGH BISTABLE finite element method(FEM) strain-stiffening behavior
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Domain-switching embedded nonlinear electromechanical finite element method for ferroelectric ceramics 被引量:2
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作者 LIU Bin FANG DaiNing 《Science China(Physics,Mechanics & Astronomy)》 SCIE EI CAS 2011年第4期606-617,共12页
To simulate the nonlinear behavior of ferroelectric structures and devices under non-uniform electromechanical loadings,a domain-switching embedded electromechanical finite element method is developed in this paper.Fo... To simulate the nonlinear behavior of ferroelectric structures and devices under non-uniform electromechanical loadings,a domain-switching embedded electromechanical finite element method is developed in this paper.Following continuum assumption,the electromechanical behavior of each representative material point can be obtained by averaging the behavior of the local corresponding microstructure,e.g.42 domains used in this work.A new Double Gibbs free energy criterion for domain-switching is proposed to ensure the convergence and stability of the simulations on ferroelectrics under non-uniform field.Several computational examples are given to demonstrate that this nonlinear finite element method can yield reasonable and stable simulation results which can be used to explain some experimental results and assist the design of ferroelectric devices. 展开更多
关键词 ferroelectric material domain-switching finite element method nonlinear electromechanical coupling crack and fracture
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Analysis of the electromechanical behavior of ferroelectric ceramics based on a nonlinear finite element model 被引量:3
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作者 Daining Fang Faxin Li +1 位作者 A. K. Soh Tieqi Liu 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2005年第3期294-304,共11页
A nonlinear finite element (FE) model based on domain switching was proposed to study the electromechanical behavior of ferroelectric ceramics. The incremental FE formulation was improved to avoid any calculation in... A nonlinear finite element (FE) model based on domain switching was proposed to study the electromechanical behavior of ferroelectric ceramics. The incremental FE formulation was improved to avoid any calculation instability. The problems of mesh sensitivity and convergence, and the efficiency of the proposed nonlinear FE technique have been assessed to illustrate the versatility and potential accuracy of the said technique. The nonlinear electromechanical behavior, such as the hysteresis loops and butterfly curves, of ferroelectric ceramics subjected to both a uniform electric field and a point electric potential has been studied numerically. The results obtained are in good agreement with those of the corresponding theoretical and experimental analyses. Furthermore, the electromechanical coupling fields near (a) the boundary of a circular hole, (b) the boundary of an elliptic hole and (c) the tip of a crack, have been analyzed using the proposed nonlinear finite element method (FEM). The proposed nonlinear electromechanically coupled FEM is useful for the analysis of domain switching, deformation and fracture of ferroelectric ceramics. 展开更多
关键词 Ferroelectric material Domain switching finite element method Nonlinear electromechanical coupling Crack and fracture
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Method towards optimal design of dielectric elastomer actuated soft machines 被引量:1
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作者 LIU Fan SUN WenJie +2 位作者 ZHAO Xuan LI ChengHai ZHOU JinXiong 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第7期959-964,共6页
Soft machines are combinations of hard and soft active materials, thus the coupling and interaction between soft and hard components dictate the performance of soft machines. Structural optimization has been intensive... Soft machines are combinations of hard and soft active materials, thus the coupling and interaction between soft and hard components dictate the performance of soft machines. Structural optimization has been intensively used for design of conventional hard machines, while, to our best knowledge, few attempts have been made towards optimal design of soft machines. Here, we describe the sizing optimization problem of a dielectric elastomer(DE) actuated mechanical amplifier, and achieve the optimal design through combination of a commercial finite element method(FEM) software and an optimization automation software.We then design, fabricate and demonstrate a locomotive soft machine driven by DE actuator with amplified displacement output.The methodology and results present here open the door towards optimal designs of active materials based soft machines. 展开更多
关键词 soft machine dielectric elastomer structural optimization finite element method mechanical amplifier
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Numerical study on the electromechanical behavior of dielectric elastomer with the influence of surrounding medium
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作者 Kun Jia Tongqing Lu 《International Journal of Smart and Nano Materials》 SCIE EI 2016年第1期52-68,共17页
The considerable electric-induced shape change,together with the attributes of lightweight,high efficiency,and inexpensive cost,makes dielectric elastomer,a promising soft active material for the realization of actuat... The considerable electric-induced shape change,together with the attributes of lightweight,high efficiency,and inexpensive cost,makes dielectric elastomer,a promising soft active material for the realization of actuators in broad applications.Although,a number of prototype devices have been demonstrated in the past few years,the further development of this technology necessitates adequate analytical and numerical tools.Especially,previous the-oretical studies always neglect the influence of surrounding med-ium.Due to the large deformation and nonlinear equations of states involved in dielectric elastomer,finite element method(FEM)is anticipated;however,the few available formulations employ homemade codes,which are inconvenient to implement.The aim of this work is to present a numerical approach with the commercial FEM package COMSOL to investigate the nonlinear response of dielectric elastomer under electric stimulation.The influence of surrounding free space on the electric field is analyzed and the corresponding electric force is taken into account through an electric surface traction on the circumstances edge.By employ-ing Maxwell stress tensor as actuation pressure,the mechanical and electric governing equations for dielectric elastomer are coupled,and then solved simultaneously with the Gent model of stain energy to derive the electric induced large deformation as well as the electromechanical instability.The finite element imple-mentation presented here may provide a powerful computational tool to help design and optimize the engineering applications of dielectric elastomer. 展开更多
关键词 dielectric elastomer electromechanical coupling finite element method Maxwell stress tensor
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Love波传感器结构的有限元分析方法 被引量:9
9
作者 付琛 李红浪 +2 位作者 王秀东 梁勇 何世堂 《声学学报》 EI CSCD 北大核心 2012年第2期170-176,共7页
提出一种ANSYS分析Love波传感器性能的有限元方法。根据Love波传感器的特点,施加一维近似假设和周期性边界条件建立了由压电基片,金属电极和波导层组成Love波传感器的三维有限元分析模型,并在此模型分析结果基础上提取结构的特征频率。... 提出一种ANSYS分析Love波传感器性能的有限元方法。根据Love波传感器的特点,施加一维近似假设和周期性边界条件建立了由压电基片,金属电极和波导层组成Love波传感器的三维有限元分析模型,并在此模型分析结果基础上提取结构的特征频率。一方面运用开路和短路条件下的特征频率来计算机电耦合系数,另一方面结合微扰理论的计算得到器件的质量灵敏度。最后通过这两个参数来选取波导层厚度,使器件达到最优的性能。在不同的波导层厚度情况下,计算了SiO_2/ST-90°X石英和SiO_2/36°Y-X LiTaO_3两种结构Love波传感器结构的仿真结果,得到了这两种结构的波导层最优的厚度分别为0.11λ和0.2λ。与已报道的文献和实验的结果对比,本文所采用的方法明显优于传统的均匀层状结构理论分析的结果,通过仿真不同结构和材料参数的器件性能,有效地指导Love波传感器的设计。 展开更多
关键词 传感器结构 LOVE波 有限元分析方法 三维有限元分析模型 ANSYS分析 周期性边界条件 器件性能 机电耦合系数
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两自由度可控连杆机构系统机电耦联动态方程及其响应 被引量:3
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作者 王汝贵 蔡敢为 鲁华 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2007年第3期356-364,共9页
针对控制电动机转子偏心时不均匀气隙磁场,分析其实际运行状态的机电耦合关系,建立以电机横振、扭振为节点位移的伺服电机单元,应用有限单元法建立含电机电磁参数和弹性连杆机构结构参数的系统非线性机电耦合动力学模型。通过对算例的... 针对控制电动机转子偏心时不均匀气隙磁场,分析其实际运行状态的机电耦合关系,建立以电机横振、扭振为节点位移的伺服电机单元,应用有限单元法建立含电机电磁参数和弹性连杆机构结构参数的系统非线性机电耦合动力学模型。通过对算例的数值计算,得出系统弹性振动固有频率和弹性位移响应随时间的变化曲线。结果表明,电机对机构弹性位移的影响不可忽视。文中的工作为此类系统进行动态优化设计提供一定理论依据,也为研究此系统动态特性打下一定的基础。 展开更多
关键词 五杆机构 机电耦合 有限元 动力学模型 动态响应
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电动机-弹性连杆机构系统的动态方程及其响应 被引量:3
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作者 蔡敢为 李兆军 常平平 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2005年第4期398-404,共7页
针对三相交流电机转子振动偏心时不均匀气隙的气隙磁场,分析其实际运行状态的机电耦合关系,建立以电机横振、扭振为节点位移的电机单元,应用有限单元法建立含电机电磁参数和弹性连杆机构结构参数的系统动态方程,并根据该方程对系统的动... 针对三相交流电机转子振动偏心时不均匀气隙的气隙磁场,分析其实际运行状态的机电耦合关系,建立以电机横振、扭振为节点位移的电机单元,应用有限单元法建立含电机电磁参数和弹性连杆机构结构参数的系统动态方程,并根据该方程对系统的动态响应进行仿真计算和分析,且通过实验进行验证,表明所建方程较好地反映了系统动态性能与其电磁参数、结构参数之间的关系. 展开更多
关键词 连杆机构 有限单元法 机电耦合 动态特性
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基于MEMsFEM的功能梯度压电板力电耦合分析 被引量:2
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作者 孟广伟 李霄琳 +2 位作者 周立明 李锋 王晖 《华南理工大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第10期81-86,共6页
功能梯度压电材料(FGPM)是一类材料特性连续变化的力电耦合材料.由于材料性能的不均匀性,相应的力学分析具有很大挑战.基于混合扩展多尺度有限元法(MEMsFEM)建立了FGPM力电耦合问题的分析模型.采用传统多尺度有限元法构造电势多尺度基函... 功能梯度压电材料(FGPM)是一类材料特性连续变化的力电耦合材料.由于材料性能的不均匀性,相应的力学分析具有很大挑战.基于混合扩展多尺度有限元法(MEMsFEM)建立了FGPM力电耦合问题的分析模型.采用传统多尺度有限元法构造电势多尺度基函数,用扩展多尺度有限元法在不同坐标方向构造位移多尺度基函数,并通过引入耦合附加项考虑各坐标方向位移场间的耦合作用.多尺度基函数的构造可以有效捕捉材料的非均质性,由此可以在粗尺度上对问题进行求解,明显减少了计算量.最后通过数值算例验证了MEMs FEM的有效性和高效性.文中模型为功能梯度材料力学行为的数值模拟提供了有效途径. 展开更多
关键词 混合扩展多尺度有限元 功能梯度材料 压电材料 力电耦合
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基于谐振原理的微机械疲劳试验装置的研究
13
作者 丁雷 尚德广 +3 位作者 张大成 沈通 贾冠华 阎楚良 《机械强度》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第5期684-689,共6页
设计出一种基于梳状驱动器原理的静电力驱动的微机械疲劳试验装置,该装置可由典型的表面牺牲层标准工艺制作。对所设计的MEMS(micro-electro-mechanical system)疲劳试验装置中的圆弧梳状驱动器的电容及静电驱动力进行理论分析,并采用AN... 设计出一种基于梳状驱动器原理的静电力驱动的微机械疲劳试验装置,该装置可由典型的表面牺牲层标准工艺制作。对所设计的MEMS(micro-electro-mechanical system)疲劳试验装置中的圆弧梳状驱动器的电容及静电驱动力进行理论分析,并采用ANSYS机电耦合单元对装置的振动过程进行模拟,模拟结果与理论分析相吻合。研究结果表明在一定范围交流电压的驱动下试样能达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平,并对该电压范围进行预测。 展开更多
关键词 微机电系统 疲劳 梳状驱动器 有限元方法 机电耦合分析
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三叠片压电复合换能器弯曲振动的比较研究
14
作者 张宁宁 《声学技术》 CSCD 北大核心 2017年第4期383-389,共7页
用瑞利法对三叠片弯振圆盘换能器在三种不同边界条件下的振动特性进行理论研究,推导了谐振频率及有效机电耦合系数的表达式,通过数值计算分析了复合换能器的谐振频率及有效机电耦合系数随换能器各结构参数的变化规律并进行比较研究,同... 用瑞利法对三叠片弯振圆盘换能器在三种不同边界条件下的振动特性进行理论研究,推导了谐振频率及有效机电耦合系数的表达式,通过数值计算分析了复合换能器的谐振频率及有效机电耦合系数随换能器各结构参数的变化规律并进行比较研究,同时将计算结果与有限元模拟结果比较,结果表明不同边界条件下换能器的结构参数对谐振频率和有效机电耦合系数影响不同:在换能器结构参数一定时,自由边界条件下谐振频率最大,简支边界条件下最小,固定边界条件下次之;有效机电耦合系数随着金属片厚度、陶瓷片厚度和陶瓷片半径变化时,分别有一个最大值;其他参数一定时,有效机电耦合系数在简支边界条件下最大,自由边界条件下的值稍大于固定边界条件下的值。上述研究结果可为三叠片弯曲振动换能器的设计和实际应用提供一定的理论支持。 展开更多
关键词 瑞利法 谐振频率 有效机电耦合系数 有限元模拟
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一种反射面天线机电耦合分析的新方法 被引量:2
15
作者 兰佩锋 仇原鹰 邵晓东 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2009年第2期296-299,共4页
提出了一种反射面天线机电耦合分析的新方法。该方法基于反射面天线的结构分析,利用变形反射面单元的节点位移信息得到变形后的反射面的网格模型。在此基础上,通过使用物理光学法直接计算出变形反射面天线辐射场。该方法与现有分析方法... 提出了一种反射面天线机电耦合分析的新方法。该方法基于反射面天线的结构分析,利用变形反射面单元的节点位移信息得到变形后的反射面的网格模型。在此基础上,通过使用物理光学法直接计算出变形反射面天线辐射场。该方法与现有分析方法相比,能够更真实地描述出天线变形对其电磁性能的影响。通过对7.3 m抛物面天线的仿真,验证了该方法的有效性。 展开更多
关键词 反射面天线 有限单元法 物理光学法 机电耦合 结构位移场 电磁场
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MEMS扭转疲劳试验装置设计研究 被引量:1
16
作者 贾冠华 尚德广 +2 位作者 孙国芹 刘豪 马新平 《机械设计与研究》 CSCD 北大核心 2008年第2期50-53,共4页
设计了一种平行板电容驱动MEMS扭转疲劳试验装置。通过理论分析和有限元分析两种方法去预测该装置的吸附电压,并将所得结果进行对比,证明两种方法具有一致性。最后通过对比试验结果与理论计算结果证实了该理论分析方法的有效性。同时也... 设计了一种平行板电容驱动MEMS扭转疲劳试验装置。通过理论分析和有限元分析两种方法去预测该装置的吸附电压,并将所得结果进行对比,证明两种方法具有一致性。最后通过对比试验结果与理论计算结果证实了该理论分析方法的有效性。同时也就证实了有限元分析方法的有效性。通过有限元分析得到的疲劳试样应力分布情况表明该装置可以达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平。 展开更多
关键词 MEMS 扭转疲劳 有限元分析 吸附电压 耦合场分析
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压电类智能结构耦合系统动力学分析 被引量:1
17
作者 吕金丽 黄国权 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第1期75-80,共6页
对压电类智能结构耦合系统动力学问题进行了分析,阐明了压电结构在外载(机械力或电场)作用下的力学特征、电学特征.从机电耦合弹性体的理论出发,运用Hamilton原理建立一般压电类智能结构耦合系统的动力分析模型,进行压电类智能结构耦合... 对压电类智能结构耦合系统动力学问题进行了分析,阐明了压电结构在外载(机械力或电场)作用下的力学特征、电学特征.从机电耦合弹性体的理论出发,运用Hamilton原理建立一般压电类智能结构耦合系统的动力分析模型,进行压电类智能结构耦合系统的有限元分析.以此为基础进行压电类智能结构耦合系统动力学分析:模态分析和瞬态动力分析.最后利用有限元分析软件ANSYS,对粘贴压电陶瓷片的压电悬臂板耦合效应进行模拟分析,进行了模态分析、瞬态动力学分析研究.说明了压电类智能结构耦合系统的动力学特性. 展开更多
关键词 智能结构 机电耦合 压电陶瓷片 动力学分析
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利用磁流变弹性体对超材料梁进行带隙调控
18
作者 张垚 李金强 +1 位作者 宋智广 李凤明 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期1271-1276,共6页
为了研究在不改变结构的情况下实现对超材料带隙的调节,本文基于磁流变弹性体设计了一种新型超材料梁结构。采用有限元方法,建立了含磁流变弹性体的超材料梁模型,给出了超材料梁结构在外磁场作用下得的带隙位置和传输曲线。结果表明:通... 为了研究在不改变结构的情况下实现对超材料带隙的调节,本文基于磁流变弹性体设计了一种新型超材料梁结构。采用有限元方法,建立了含磁流变弹性体的超材料梁模型,给出了超材料梁结构在外磁场作用下得的带隙位置和传输曲线。结果表明:通过利用外磁场对磁流变弹性体的材料参数进行非接触式控制,可以实现对带隙特性的大幅度调节。研究还发现通过改变结构的几何参数也可以对含磁流变弹性体的超材料梁的带隙进行调节。 展开更多
关键词 超材料 磁流变弹性体 振动控制 带隙 多场耦合 振动主动控制 带隙调节 有限元方法
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SAW压力传感器声传播方向特性研究
19
作者 李旺旺 薛卫彪 屈珉敏 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2023年第11期27-30,共4页
针对高温恶劣环境下对压力参数的测量需求,结合目前氮化铝(AlN)和蓝宝石(sapphire)等耐高温材料,构建了一种叉指换能器(IDT)/AlN/Sapphire结构的声表面波(SAW)传感器模型,并采用有限元法(FEM)分析SAW在c轴取向AlN薄膜上分别沿a方向(〈11... 针对高温恶劣环境下对压力参数的测量需求,结合目前氮化铝(AlN)和蓝宝石(sapphire)等耐高温材料,构建了一种叉指换能器(IDT)/AlN/Sapphire结构的声表面波(SAW)传感器模型,并采用有限元法(FEM)分析SAW在c轴取向AlN薄膜上分别沿a方向(〈11-20〉)和m方向(〈1-100〉)传播时的器件性能,包括AlN和IDT的厚度对声速和机电耦合系数的影响,以及不同方向传播时SAW压力传感器灵敏度的变化。实验结果表明:表面波沿a方向传播的传感器相比于m方向明显具有更高的声速与机电耦合系数,2个方向的传感器灵敏度分别为435.37×10^(-6)/MPa和426.29×10^(-6)/MPa,a方向灵敏度略大于m方向。此研究工作为之后的传感器设计制造提供了一定的参考价值。 展开更多
关键词 声表面波压力传感器 有限元法 声传播方向 声速 机电耦合系数 压力灵敏度
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