Adaptive Lagrange finite element methods for high precision vibrations and piezoelectric acoustic wave computations in SMT structures and plates with nano interfaces

This paper discusses the validity of (adaptive) Lagrange generalized plain finite element method (FEM) and plate element method for accurate analysis of acoustic waves in multi-layered piezoelectric structures with tiny interfaces between metal electrodes and surface mounted piezoelectric substrates. We have come to conclusion that the quantitative relationships between the acoustic and electric fields in a piezoelectric structure can be accurately determined through the proposed finite element methods. The higher-order Lagrange FEM proposed for dynamic piezoelectric computation is proved to be very accurate (prescribed relative error 0.02% - 0.04% ) and a great improvement in convergence accuracy over the higher order Mindlin plate element method for piezoelectric structural analysis due to the assumptions and corrections in the plate theories.The converged lagrange finite element methods are compared with the plate element methods and the computedresults are in good agreement with available exact and experimental data. The adaptive Lagrange finite elementmethods and a new FEA computer program developed for macro- and micro-scale analyses are reviewed, and recently extended with great potential to high-precision nano-scale analysis in this paper and the similarities between piezoelectric and seismic wave propagations in layered structures and plates are stressed.

非均质压电结构动力学问题的多尺度有限元法研究

基于多尺度有限元法,通过构造位移多尺度基函数和电势多尺度基函数将细观非均质信息引入到宏观响应中,同时引入耦合附加项考虑各坐标方向位移场间的耦合作用。所构造的多尺度基函数可以直接高效地双向传递粗尺度与细尺度之间的信息,使问题在宏观尺度上求解,降低计算消耗。数值模拟结果表明,与传统有限元法相比,采用多尺度有限元法求解非均质压电结构的动力学问题,在保证计算精度的同时,还具有较高的计算效率,为非均质压电结构动力学问题的数值模拟提供了一种有效手段。

压电结构的热弹性比拟建模方法

通过比较逆压电效应本构方程和热弹性本构方程,在线性范围内建立逆压电效应和热弹性效应的比拟关系:将驱动电压比拟为温度载荷,压电应变系数比拟为热膨胀系数,用热弹性有限元方法分析逆压电效应,并采用热弹性比拟方法求解基于长度伸缩逆压电效应和厚度剪切逆压电效应的驱动器问题,给出了平面结构“热-机-电”耦合问题的热弹性比拟求解方法。热弹性比拟方法为快速建立复杂压电结构的有限元模型提供了一种有效的途径,可缩短复杂压电主动结构的设计周期,降低设计成本。最后给出数值算例说明文中方法的有效性。

热超声键合压电换能器的动力学特性

基于有限元方法和试验测试,研究了芯片封装用压电超声换能器的动力学特性。借助ANSYS压电耦合和非线性接触分析功能,对换能器自由和约束状态下的振动特性进行了分析。探讨了超声能量在空间域、时域和频域的传递规律。由模态分析得到换能器的振动形式,通过谐响应分析提取其在正弦电压激励下的振动信息,经瞬态分析获得换能器的瞬态响应。结果表明,螺栓径向尺寸和预紧力影响换能器的模态分布和动态特性,压电晶堆加载电压的频率影响超声能量传递特性。通过键合试验考察了焊点质量与螺栓径向尺寸的关系。分析和试验结果为换能器设计和键合工艺优化提供了指导。

压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证

提出了一种用于压电振动能量收集器的等效电路建模分析法。这种方法将有限元分析和电子电路分析相结合,根据机电类比机制,把压电振动能量收集器的建模问题从复杂的机械领域转换到纯电学领域进行分析。利用该等效电路法,建立并分析了线性和AC-DC非线性负载电路条件下双压电层并联的振动能量收集器电能预测模型。通过对比发现,经等效电路建模分析得到的电压和功率响应结果与实验测量结果的最大误差不超过5%,这充分证实了等效电路建模分析法能在避免理论建模时的复杂推导过程的前提下,保证电能预测模型的精确性。该研究为创建复杂机械和电学边界条件下压电振动能量收集器电能预测模型提供了一种新的、有效的解决途径。

压电智能结构冲击荷载谱的反演方法

基于对智能层合板结构的模态分析 ,提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法。介绍了压电模态传感器的实现原理 ,并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式。采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程 ,构造了通过结构的模态响应直接反求荷载列阵的迭代算法。该方法迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度高 ,适用于任意形状和边界条件的复杂智能结构。实例表明了该方法的可行性。

航天器6维微振动力测试系统的设计与试验

为了测试不同状态下航天器各活动部件在低频及超低频区的6维微振动表现,设计了一种以压电传感器为核心的6维微振动力测试系统.通过标定及对软件的设计实现了传感器信号在空间上的实时采集、分析及处理等功能,并最终得到空间6维力.介绍了该测试系统的工作原理和动态标定方法,对该测试台进行了仿真及测试试验.结果表明,固有频率的仿真与试验结果前5阶的相对误差在5%以内,1阶频率大于400 Hz;力及力矩分辨率分别可达到0.1 N及0.01 N·m(SNR大于10);在频域上0~400 Hz范围内,该测试系统各通道的相对误差在7%以内.

二维压电材料动强度因子的扩展有限元计算

采用扩展有限元求解二维弹性压电材料动断裂问题。扩展有限元的网格独立于裂纹,因此网格生成可大大地简化,且裂纹扩展时不需重构网格。采用相互作用积分技术计算动强度因子。比较了标准的力裂尖加强函数和力-电裂尖加强函数对动强度因子的影响,结果表明标准的力裂尖加强函数能有效地分析压电材料动断裂问题。分析了极化方向对动强度因子的影响。数值分析表明采用扩展有限元获得的动强度因子与其他数值方法解吻合得很好。

压电陶瓷驱动机抖激光陀螺抖动特性仿真分析

二频机抖激光陀螺由于静态锁区和动态锁区的客观存在,要求光学谐振腔体不仅要绕敏感轴作正弦抖动,还要按一定的随机规律改变抖动幅度。二频机抖激光陀螺捷联惯导系统机械结构较复杂,很难通过解析法求解其振动特性,采用有限元法对二频机抖激光陀螺抖动特性的仿真方法进行研究。对激光陀螺的关键点进行激光测振实验,对激光陀螺的输出信号进行了高频采样;并对所得采样数据进行功率谱分析,证明了仿真方法的正确性。采用该方法对激光陀螺工作状态进行动力学仿真,可获得工作状态下任意位置的动力学参数,对分析激光陀螺及捷联系统因抖动而产生的误差有重要意义。

智能板动荷载监测的压电单元模态法

基于对智能层合板结构的模态分析,提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法。介绍了压电模态传感器的实现原理,并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式。采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程,构造了通过结构的模态响应反求荷载列阵的迭代算法。该方法作为动态激励的压电模态响应易于实时监测,迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度较高,适用于任意形状和边界条件的复杂型智能结构。实例表明了该方法的可行性。

多模态下压电振动能量收集器的等效电路仿真

结合有限元分析法和电子电路分析法建立了多模态下压电振动能量收集器与交流-直流(AC-DC)非线性负载电路相连接的等效电路仿真模型。利用有限元分析软件ANSYS确定了压电能量收集器的等效电路参数,根据这些等效电路参数,在PSPICE软件中建立了非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的等效电路仿真模型,并实现了其输出电压和功率的快速仿真。仿真结果表明,等效电路仿真模型可得非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电压和功率,而这是单独使用ANSYS软件完全不能解决的。这为多模态下压电振动能量收集器的电能预测提供了一种简便而有效的分析方法,更为解决任意复杂非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电能预测打下了基础。

压电驱动FSM的动态性能分析

快速倾斜镜(FSM)常用作光束控制的执行装置,很多场合都要求其具有优秀的动态性能。利用有限元分析法和动态模型方法对某FSM的动态性能进行了分析。对设计制造的FSM实物实施了动态性能测试,分析和验证了频率特性曲线中所表现的非线性和机械谐振特性,发现加固层和结构摩擦作用下激发出的压电堆叠弯曲模态也是FSM动态性能的制约因素。

大行程压电微动台的有限元分析与实验

设计了一种基于尺蠖运动原理的大行程纳米级步距压电微动台,变传统单驱动器结构为双驱动器结构,采用"推-拉"接力运动原理,实现了大的驱动力与行程.利用有限元方法对压电微动台的结构和静、动态特性进行了研究.实验结果表明,压电微动台的运动范围为11 mm,稳定性好,载物力可以达到24.5 N,最小步距小于20 nm.

基于ANSYS Workbench的冲击式压电发电机仿真研究

针对自发电球形探测器中的管道发电单元,基于ANSYS Workbench对其中的压电发电部分进行了有限元仿真分析。其中,通过静态分析验证了有限元模型及分析过程的正确性,进而通过显式动力学分析模拟了圆形压电陶瓷在磁块冲击作用下的动力学响应,结合理论公式得出了其产生的电动势值。研究结果表明,当磁块以1m/s的速度冲击压电陶瓷时,其上下极板间产生了最大幅值约为2V的电动势。

几何精确的二维动态压电梁有限元格式

在几何精确梁理论的基础上,通过引入压电材料的力-电耦合效应,建立了一种几何精确的动态二维压电层合梁有限元格式。通过对这种几何精确有限元格式的分析和实现,得到了一个分析在空间做大尺度运动的压电柔性梁结构的方法。最后通过几个数值算例验证了这种格式的正确性,并且给出了这种方法在分析压电结构时的可能用途。

直动式压电气动伺服阀阀芯运动系统建模分析

本文主要研究气动控制领域的直动式压电气动伺服阀。阀芯运动机构是该阀设计的核心部分,主要由作为动力源的积层式压电驱动器、柔性铰链微位移放大机构、阀芯、弹性回复机构以及相应的连接件组成。设计基于柔性铰链微位移放大机构的阀芯运动机构,结合有限单元法对阀芯运动机构进行静力学与动力学的仿真分析,验证理论分析,为直动式压电气动伺服阀总体设计以及控制策略的选择提供理论依据。

一种高效的夹心换能器有限元设计方法研究

夹心式压电换能器是多种设备的核心器件。该文提出了对换能器前后两部分分别设计和仿真的方法,比传统的按整体进行计算和仿真的方法实现了更高的仿真设计效率:首先,对前后部分分别进行仿真与优化,实现前后部分的谐振一致性;其次,把前后部分模型整合实现对整体的仿真和调整;最后,按最优方案制作换能器,并与传统方法设计的换能器进行实验对比。通过实验证明,按照该文提出的方法,加工装配的换能器不仅研制周期短,且品质因数高、谐振阻抗小、有较大的有效机电耦合系数。

对拟力法理论中塑性弯矩和动力方程的分析与讨论

探讨了拟力法理论中塑性弯矩表达式的理论意义,引入塑性刚度对公式进行修正,得到修正后的拟力法基本公式.最后,以数值分析算例比较了改进前后两种方法的计算结果.结果表明,修正的拟力法计算结果偏于安全,不仅保留了拟力法计算效率高的优点,公式物理意义更易被理解.

压电类智能结构耦合系统动力学分析

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.

压电陶瓷支承对梁的横向振动与支反力抑制作用

当多跨结构受到横向载荷产生振动时,支承与基座衔接处往往产生较大的支反力。针对该问题,以双支承的梁系统为例,基于压电换能原理,采用柱状压电陶瓷支承作为减振元件,并对其减振效果进行了理论分析。利用Hamilton原理推导了压电机电耦合边界条件下该系统的振动微分方程。结合有限元法和偏微分方程数值计算方法,对不同种类压电材料的机电耦合系统进行了模态分析和动力学响应计算。计算结果表明,压电陶瓷支承可以有效抑制多跨结构中支承传递到基座的振动和支反力。