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Development,modeling and application of piezoelectric fiber composites 被引量:14
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作者 林秀娟 周科朝 +1 位作者 张晓泳 张斗 《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》 SCIE EI CAS CSCD 2013年第1期98-107,共10页
Piezoelectric materials are capable of actuation and sensing and have been used in a wide variety of smart devices and structures.Active fiber composite and macro fiber composite are newly developed types of piezoelec... Piezoelectric materials are capable of actuation and sensing and have been used in a wide variety of smart devices and structures.Active fiber composite and macro fiber composite are newly developed types of piezoelectric composites,and show superior properties to monolithic piezoelectric wafer due to their distinctive structures.Numerous work has focused on the performance prediction of the composites by evaluation of structural parameters and properties of the constituent materials with analytical and numerical methods.Various applications have been explored for the piezoelectric fiber composites,including vibration and noise control,health monitoring,morphing of structures and energy harvesting,in which the composites play key role and demonstrate the necessity for further development. 展开更多
关键词 piezoelectric active fiber composite macro fiber composite MODELING smart applications
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Effective property of piezoelectric composites containing coated nano-elliptical fibers with interfacial debonding
2
作者 Yu Chen Junhong Guo 《Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)》 SCIE EI CSCD 2022年第11期1701-1716,共16页
Based on both the spring layer interface model and the Gurtin-Murdoch surface/interface model,the anti-plane shear problem is studied for piezoelectric composites containing coated nano-elliptical fibers with imperfec... Based on both the spring layer interface model and the Gurtin-Murdoch surface/interface model,the anti-plane shear problem is studied for piezoelectric composites containing coated nano-elliptical fibers with imperfect interfaces.By using the complex function method and the technique of conformal mapping,the exact solutions of the electroelastic fields in fiber,coating,and matrix of piezoelectric nanocomposites are derived under far-field anti-plane mechanical and in-plane electrical loads.Furthermore,the generalized self-consistent method is used to accurately predict the effective electroelastic moduli of the piezoelectric nanocomposites containing coated nano-elliptical fibers with imperfect interfaces.Numerical examples are illustrated to show the effects of the material constants of the imperfect interface layers,the aspect ratio of the fiber section,and the fiber volume fraction on the effective electroelastic moduli of the piezoelectric nanocomposites.The results indicate that the effective electroelastic moduli of the piezoelectric nanocomposites can be significantly reduced by the interfacial debonding,but it can be improved by the surface/interface stresses at the small scale,which provides important theoretical reference for the design and optimization of piezoelectric nanodevices and nanostructures. 展开更多
关键词 piezoelectric composite COATED nano-elliptical fiber effective property exact solution
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A refined finite element method for bending analysis of laminated plates integrated with piezoelectric fiber-reinforced composite actuators 被引量:3
3
作者 J.Rouzegar A.Abbasi 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第4期689-705,共17页
This research presents a finite element formulation based on four-variable refined plate theory for bending analysis of cross-ply and angle-ply laminated composite plates integrated with a piezoelectric fiber-reinforc... This research presents a finite element formulation based on four-variable refined plate theory for bending analysis of cross-ply and angle-ply laminated composite plates integrated with a piezoelectric fiber-reinforced composite actuator under electromechanical loading. The four-variable refined plate theory is a simple and efficient higher-order shear deformation theory, which predicts parabolic variation of transverse shear stresses across the plate thickness and satisfies zero traction conditions on the plate free surfaces. The weak form of governing equations is derived using the principle of minimum potential energy, and a 4-node non-conforming rectangular plate element with 8 degrees of freedom per node is introduced for discretizing the domain. Several benchmark problems are solved by the developed MATLAB code and the obtained results are compared with those from exact and other numerical solutions, showing good agreement. 展开更多
关键词 Finite elementmethod Laminated plate piezoelectric fiber-reinforced composite(PFRC)actuator piezoelectric Refined plate theory Smart structures
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基于PT和MFC的飞机垂直尾翼振动主动控制 被引量:10
4
作者 徐志伟 黄雪峰 沈星 《南京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第3期313-318,共6页
首先基于压电陶瓷变压器PT(Piezoelectric transformer)设计了一种用于驱动压电材料作动器的功率放大器,该放大器具有效率高、体积小、重量轻等优点。与DSP控制系统相结合,实现了振动主动控制系统的小型化和集成化。然后以飞机垂直尾翼... 首先基于压电陶瓷变压器PT(Piezoelectric transformer)设计了一种用于驱动压电材料作动器的功率放大器,该放大器具有效率高、体积小、重量轻等优点。与DSP控制系统相结合,实现了振动主动控制系统的小型化和集成化。然后以飞机垂直尾翼模型为控制对象,选用了压电纤维复合材料(Micro fiber composites,MFC)和(Piezoelectric transducer,PZT)作为驱动器,实现了对模型两阶主要振动模态的主动控制。实验验证了所设计的开关功率放大器的可行性,最后对MFC和PZT的驱动性能进行了对比。 展开更多
关键词 压电变压器 压电纤维复合材料 振动控制 自适应算法
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基于均一化模型的MFC悬臂梁静态变形分析 被引量:1
5
作者 盛贤君 周少征 《压电与声光》 CAS 北大核心 2019年第1期98-101,共4页
采用基于平面应力假设和二维周期性位移场假设的均一化模型分析了P1型粗压电纤维复合材料(MFC)致动器的宏观性质,研究了该模型对于MFC悬臂梁静态变形分析的适用性。ANSYS仿真结果表明,该模型适用于分析MFC悬臂梁静态变形,采用该均一化... 采用基于平面应力假设和二维周期性位移场假设的均一化模型分析了P1型粗压电纤维复合材料(MFC)致动器的宏观性质,研究了该模型对于MFC悬臂梁静态变形分析的适用性。ANSYS仿真结果表明,该模型适用于分析MFC悬臂梁静态变形,采用该均一化模型与不采用均一化模型相比,悬臂梁挠度的相对误差不超过5.77%,且该均一化模型中压电应力矩阵的e32分量对梁挠度的影响(e32效应)为次要因素。在采用该均一化模型的基础上进一步忽略其e32效应与原均一化模型相比,粱挠度的相对误差不超过1.36%。 展开更多
关键词 粗压电纤维复合材料(mfc) 均一化模型 宏观性质 压电悬臂梁 ANSYS分析
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基于MFC的地铁轨道振动能量收集研究 被引量:3
6
作者 谢伟平 陈谣 王先锋 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2022年第9期210-218,236,共10页
压电陶瓷极限受拉承载力弱,导致传统悬臂型俘能器在工程应用中极易开裂损坏,与其持续供能的初衷相违背。压电纤维复合材料(MFC)具有优异的柔韧性、耐久性,恰恰弥补了这一缺陷。然而以MFC材料为基础的俘能器在地铁轨道振动能量俘获中的... 压电陶瓷极限受拉承载力弱,导致传统悬臂型俘能器在工程应用中极易开裂损坏,与其持续供能的初衷相违背。压电纤维复合材料(MFC)具有优异的柔韧性、耐久性,恰恰弥补了这一缺陷。然而以MFC材料为基础的俘能器在地铁轨道振动能量俘获中的应用鲜有研究。首先建立地铁车辆-轨道耦合系统模型,得到钢轨在车辆荷载作用下的动力响应。紧接着基于混合规则和代表体积元建立型悬臂式MFC俘能器的力电耦合模型,并将钢轨的动力响应作为俘能器的输入荷载预测其电能输出,讨论了材料参数、几何参数及车辆荷载特性对输出电能的影响。并进一步通过试验研究,验证了所建立理论分析模型的正确性。最后基于LTC3588-1能量管理芯片进行了能量收集-存储模拟,验证了MFC俘能器用于无线传感器供能的可行性。 展开更多
关键词 压电纤维复合材料(mfc) 地铁轨道振动 悬臂式俘能器 能量收集和存储
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基于MFC的结构静态形状控制研究 被引量:2
7
作者 刘宽 武文华 +1 位作者 周文雅 王晓明 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第3期571-576,共6页
宏纤维复合材料MFC(Macro Fiber Composite)具有体积小、主动控制适用性强、作动效果好等特点。本文开展了宏纤维复合材料MFC对结构静态形状主动控制研究。建立了悬臂梁结构有限元模型,并采用载荷比拟法计算得到了MFC压电作动器的驱动... 宏纤维复合材料MFC(Macro Fiber Composite)具有体积小、主动控制适用性强、作动效果好等特点。本文开展了宏纤维复合材料MFC对结构静态形状主动控制研究。建立了悬臂梁结构有限元模型,并采用载荷比拟法计算得到了MFC压电作动器的驱动载荷。基于数值分析结果,搭建了悬臂梁结构主动控制实验平台,分析了不同加载电压下的悬臂梁的弯曲变形效果,进而分析MFC结构在静态形状控制中的力学性能。数值仿真和实验结果表明:在不同的静态电压加载下,结构的变形和加载电压近似呈线性关系;仿真和实验结果对比中呈现出较好的一致性,其最大位移误差为12.45%。最后讨论了MFC压电作动器自身时间蠕变特性对静态变形控制实验结果产生的影响,结果表明在大电压作用下MFC材料存在蠕变效应,在实际使用过程中需要关注。本文采用以悬臂梁为载体的实验和仿真研究方法对在其他横观各向同性材料的压电材料力学性能分析具有普遍适用性。 展开更多
关键词 宏纤维复合材料 形状控制 载荷比拟法 蠕变
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弯曲摆动作用下MFC输出开路电压幅值的研究 被引量:1
8
作者 陈鹏瑜 常宗旭 +2 位作者 袁祥 高飞 廉自生 《压电与声光》 CAS 北大核心 2020年第3期365-368,共4页
为了对基于柔性压电材料的流致振动俘能装置的设计优化提供技术支持,对一种压电纤维复合材料(MFC)的压电纤维片在弯曲摆动作用下的压电特性展开研究。首先理论分析了MFC压电纤维片的压电输出机理,并建立了压电模型,得出影响MFC压电纤维... 为了对基于柔性压电材料的流致振动俘能装置的设计优化提供技术支持,对一种压电纤维复合材料(MFC)的压电纤维片在弯曲摆动作用下的压电特性展开研究。首先理论分析了MFC压电纤维片的压电输出机理,并建立了压电模型,得出影响MFC压电纤维片输出开路电压幅值大小的各种因素;然后设计搭建了一种基于步进电机的MFC压电纤维片往复弯曲摆动试验台,利用该试验台研究了MFC压电纤维片在不同弯曲角度、弯曲摆动速度、基板、表面积等因素下的压电特性。研究结果表明,MFC压电纤维片的输出开路电压幅值随纤维片弯曲角度的增加而增大,当输出电压幅值达到最大值,继续增加弯曲角度,输出开路电压幅值不会产生明显变化;其输出开路电压幅值随压电片表面积的增加而变大;弯曲摆动速度及基板对输出开路电压幅值影响较小。 展开更多
关键词 压电纤维复合材料 压电模型 试验台 压电特性 试验研究
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MFC致动器的动态迟滞模型辨识及补偿控制 被引量:4
9
作者 卢荣华 陈特欢 +1 位作者 娄军强 崔玉国 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2022年第10期301-308,共8页
压电宏纤维(marco fiber composite,MFC)具有柔性好、变形能力强的优点,但MFC致动器驱动的柔性臂的迟滞非线性严重影响系统定位精度。提出一种具有非对称性的改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,解决经典PI迟滞模型的缺陷(对称性);该... 压电宏纤维(marco fiber composite,MFC)具有柔性好、变形能力强的优点,但MFC致动器驱动的柔性臂的迟滞非线性严重影响系统定位精度。提出一种具有非对称性的改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,解决经典PI迟滞模型的缺陷(对称性);该模型基于经典PI迟滞模型,叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子获得,基于最小二乘法的迟滞模型辨识结果表明,改进PI迟滞模型对MFC致动器的迟滞建模误差从PI迟滞模型误差的16.06%降到5.58%。另外,建立系统的离散传递函数模型来描述系统的线性动态特性,并与改进PI迟滞模型串联得到组合模型,解决纯迟滞模型仅能描述低频、准静态情况下的迟滞特性问题。在前馈补偿下,对MFC致动的柔性臂进行正弦波轨迹跟踪试验,测得补偿后实测位移与期望跟踪位移基本吻合,跟踪精度达到93.62%以上。试验结果证明,所提出的改进PI迟滞模型、离散传递函数模型及补偿方法的有效性。 展开更多
关键词 压电宏纤维(mfc) 迟滞非线性 双极性非对称 改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型 离散传递函数模型 前馈补偿
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含MFC智能层的复合材料层合板自由振动研究 被引量:1
10
作者 赵宽飞 郝育新 陈静 《振动.测试与诊断》 EI CSCD 北大核心 2020年第1期79-88,204,共11页
在一阶剪切变形板理论的基础上,提出一种考虑之子函数影响的位移场。根据给定的位移场,利用瑞利-里兹法和切比雪夫多项式,考虑机电耦合特性,分别求出含有智能压电宏观纤维复合材料层(macro fiber composite,简称MFC)的碳纤维增强复合材... 在一阶剪切变形板理论的基础上,提出一种考虑之子函数影响的位移场。根据给定的位移场,利用瑞利-里兹法和切比雪夫多项式,考虑机电耦合特性,分别求出含有智能压电宏观纤维复合材料层(macro fiber composite,简称MFC)的碳纤维增强复合材料层合悬臂板在开路与通路两种电学边界条件下自由振动的固有频率,讨论不同铺层方式、宽厚比、长宽比以及不同的外电压状态下,MFC智能层对碳纤维增强复合材料层合板固有频率的影响。研究结果表明,MFC智能层对所研究系统的固有频率影响显著,可以通过控制MFC智能材料的通电电压来实现对复合材料层合板振动特性的控制。 展开更多
关键词 之子函数 瑞利-里兹法 固有频率 宏观纤维复合材料
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MFC驱动主动反射器形面的有限时间动态变形控制 被引量:1
11
作者 卢志荣 王晓明 周文雅 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2023年第4期325-332,共8页
利用智能压电作动器可实现反射面天线的形面主动调整,提升形面精度和信号传输性能。常规的静态形面控制策略仅能估计作动器的末端电压值,实际电压加载过程易引发柔性反射面结构的瞬态动力学响应和残余振动,难以实现高精度动态形面控制效... 利用智能压电作动器可实现反射面天线的形面主动调整,提升形面精度和信号传输性能。常规的静态形面控制策略仅能估计作动器的末端电压值,实际电压加载过程易引发柔性反射面结构的瞬态动力学响应和残余振动,难以实现高精度动态形面控制效果,且影响系统稳定性。为此,该研究以宏纤维复合材料(macro fiber composites, MFC)驱动的抛物面形反射器为对象,研究有限时间的动态形面控制算法。首先,基于有限元模型推导控制方程,并将控制问题转化为有限时间的时变LQ终端控制和跟踪控制问题,进而通过求解微分Riccati方程组(differential Riccati equations, DREs)得到反馈–前馈时变控制律。结果表明,利用所提有限时间动态变形控制算法,可实现连续、平滑的反射器动态形面调整效果,避免了电压加载过程激发的结构附加振动,可有效提升这类主动反射器的静态、动态控制性能。 展开更多
关键词 主动反射器 形面控制 宏纤维复合材料(mfc) 附加振动 有限时间
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基于多个MFC激励器的复合材料宽弦风扇叶片模态测试 被引量:1
12
作者 黄丹丹 陈勇 《航空发动机》 北大核心 2020年第5期78-85,共8页
为了研究复合材料风扇叶片响应特性,利用压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)激励器对复合材料宽弦风扇叶片进行模态测试。将测试结果与有限元仿真值进行比较,分析风扇叶片不同MFC单独激励和组合激励下的响应特性。设计了MFC... 为了研究复合材料风扇叶片响应特性,利用压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)激励器对复合材料宽弦风扇叶片进行模态测试。将测试结果与有限元仿真值进行比较,分析风扇叶片不同MFC单独激励和组合激励下的响应特性。设计了MFC激励器激励系统,采用MFC单独激励和组合激励的方法,实现快速正弦扫频激励信号激励,借助扫描式激光测振仪测量叶片上关注测点的振动响应。结果表明:MFC激励下风扇叶片的响应与MFC覆盖位置处对应的MFC纤维极化方向的应变大小、MFC纤维方向和测点选择有关;不同位置的MFC激励叶片,叶片各阶模态响应有差异。该结果可用于宽弦风扇叶片的MFC激励器/传感器控制方法的进一步研发和风扇叶片的振动特性分析。 展开更多
关键词 压电纤维复合材料激励器 复合材料宽弦风扇叶片 模态测试 航空发动机
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基于PS_oC3的MFC驱动系统
13
作者 张本锋 李华峰 狄思思 《振动.测试与诊断》 EI CSCD 北大核心 2013年第S2期169-173,227,共6页
设计了一种基于嵌入式芯片PSoC3的用于压电纤维复合材料(macro fiber composite,简称MFC)的驱动控制器。根据MFC对驱动的要求,设计了基于IR2110的DC-DC驱动电源,供电电源输出最高电压为500V。主电路采用双电源供电的全桥逆变拓扑结构,... 设计了一种基于嵌入式芯片PSoC3的用于压电纤维复合材料(macro fiber composite,简称MFC)的驱动控制器。根据MFC对驱动的要求,设计了基于IR2110的DC-DC驱动电源,供电电源输出最高电压为500V。主电路采用双电源供电的全桥逆变拓扑结构,实现电源的直流偏置功能。同时采用正弦脉冲宽度调制技术,驱动信号波形更接近纯正的正弦波形,谐波成分大大减小。将设计的驱动器应用于MFC仿生鱼尾,实验表明电路功耗小,匹配网络适用性强。 展开更多
关键词 压电纤维复合材料(mfc) PSoC3 供电电源 正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术 直流偏置
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Static and Dynamic Analyses of Composite Beam Bonded with MFC Actuator 被引量:1
14
作者 Ke Wu Houfei Fang Lan Lan 《Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)》 EI CAS 2020年第2期75-86,共12页
Investigated by this study is an MFC actuator attached to the surface of a Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP)composite beam to form a beam actuator system.Analytically capturing the characteristics of such system i... Investigated by this study is an MFC actuator attached to the surface of a Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP)composite beam to form a beam actuator system.Analytically capturing the characteristics of such system is essential.A novel analytical methodology considering the transverse shear strain and active stiffening effect is proposed,which was newly applied to analyze the static and dynamic behaviors of the beam actuator system.The governing equations of the beam actuator system were obtained via generalized Hamilton’s principle.A distributed transfer function formulation was developed.Then,the closed form solution was derived by using the Green’s function.Frequency response,natural frequencies,and modal shapes of the beam actuator system were obtained.The solution is analytical without using any truncated series or admissible functions at any arbitrary boundary conditions.Finite Element Method(FEM)results were also obtained to compare with that of the proposed method.The predictions of the analyses were verified experimentally,which shows the correctness and effectiveness of the proposed method. 展开更多
关键词 MACRO fiber composites(mfc) Carbon fiber Reinforced Polymer(CFRP) distributed transfer FUNCTION FORMULATION Green’s FUNCTION
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基于MFC压电纤维复合材料的智能小翼驱动性能研究 被引量:1
15
作者 胡冰蕊 张欣宇 付裕 《航空兵器》 CSCD 北大核心 2023年第2期53-58,共6页
智能微型导弹可以通过控制可变形智能弹翼结构改变飞行状态,满足作战需求。针对此类可变形智能小翼结构,本文以压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)作为驱动器,通过使用MFC碳纤维复合材料悬臂梁仿真和试验相结合的方法验证压... 智能微型导弹可以通过控制可变形智能弹翼结构改变飞行状态,满足作战需求。针对此类可变形智能小翼结构,本文以压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)作为驱动器,通过使用MFC碳纤维复合材料悬臂梁仿真和试验相结合的方法验证压电复合材料的驱动性能。随后,设计了MFC复合材料小翼驱动机构并进行驱动试验,验证了所设计的MFC驱动智能小翼变形方案的可行性。在此基础上,研究了智能小翼复合材料蒙皮铺层设计对小翼压电驱动性能的影响。结果表明,增大智能小翼蒙皮45°铺层占比、减小0°铺层占比,或将45°铺层置于蒙皮表层、0°铺层置于蒙皮芯层时,有利于智能小翼驱动性能提升。 展开更多
关键词 智能小翼 压电纤维 压电驱动 小翼结构设计 复合材料
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The fabrication and properties of 1-3 piezoelectric composite 被引量:2
16
作者 QIU Yan-qin LIU Jun MENG Xian-feng CHEN Cai-feng YAN Ping LUO Ying 《材料科学与工程(中英文版)》 2008年第4期53-57,共5页
关键词 压电复合材料 制备 陶瓷纤维 性能 机械品质因数 陶瓷粉末 微观结构 环氧树脂
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MFC在水中摆动时输出开路电压幅值研究
17
作者 胡一博 陈卫星 《压电与声光》 CAS 北大核心 2021年第5期666-669,共4页
利用柔性压电材料从流体的流动中获取能量已成为一个研究热点。该文研究了一种压电纤维复合材料(MFC)在水中摆动激励下的压电特性,建立了MFC压电纤维片在水中摆动激励下的数学模型,并结合MFC压电纤维片的压电输出机理得出影响MFC压电纤... 利用柔性压电材料从流体的流动中获取能量已成为一个研究热点。该文研究了一种压电纤维复合材料(MFC)在水中摆动激励下的压电特性,建立了MFC压电纤维片在水中摆动激励下的数学模型,并结合MFC压电纤维片的压电输出机理得出影响MFC压电纤维片输出开路电压幅值大小的因素。最后设计搭建了MFC压电纤维片在水中摆动的试验台,利用该试验台验证了模型的正确性,并研究了MFC压电纤维片在不同摆动频率下的压电特性。结果表明,在摆角幅值为10°,摆动频率为1.75 Hz时,MFC的输出开路电压幅值取得最大值(600 mV),继续增大摆动频率,输出开路电压幅值逐渐减小。 展开更多
关键词 压电纤维复合材料(mfc) 摆动模型 压电特性 试验研究 试验台
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压电纤维致动柔性结构的仿鱼体波振动特性及流场分布研究 被引量:1
18
作者 温志伟 娄军强 +3 位作者 陈特欢 崔玉国 魏燕定 李国平 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期405-413,共9页
提出利用压电纤维(MFC)致动柔性结构的二阶振动模态来模仿鲹科鱼类的鱼体波运动。基于假设模态法求解智能柔性结构的前三阶振型,实验测得水下柔性结构的二阶振型,验证了智能柔性结构的二阶振型逼近鲹科鲈鱼的鱼体波。采用计算流体动力学... 提出利用压电纤维(MFC)致动柔性结构的二阶振动模态来模仿鲹科鱼类的鱼体波运动。基于假设模态法求解智能柔性结构的前三阶振型,实验测得水下柔性结构的二阶振型,验证了智能柔性结构的二阶振型逼近鲹科鲈鱼的鱼体波。采用计算流体动力学(CFD)分析了柔性结构周围流线及压力分布情况,结果表明:二阶振动行为下,柔性结构节点前后流线方向相反;两侧流场始终存在两组高、低压集中区域,且节点前后的压力集中区域分布相反;柔性结构两侧始终存在正压梯度,其中向前的压力分量为柔性结构提供持续的推进力,而节点前后压力分量产生的侧向力方向相反,部分抵消,增强了柔性结构的侧向稳定性。研究结果为水下仿生推进器的设计和性能分析提供了重要参考。 展开更多
关键词 水下柔性结构 仿鱼体波振动 压电纤维 流场分布特性 计算流体动力学
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压电纤维复合材料对悬臂结构的作动行为研究
19
作者 张博 谢华珂 +1 位作者 丁虎 陈立群 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期1439-1447,共9页
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... 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. 展开更多
关键词 压电纤维复合材料 作动方程 叉指电极 压电静力实验
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水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验
20
作者 杨浙栋 娄军强 +3 位作者 陈特欢 崔玉国 魏燕定 李国平 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期365-373,共9页
水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数... 水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明:在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。 展开更多
关键词 非线性流体动力学 流体动力函数 流固耦合振动 水下柔性结构 压电纤维
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