压电纤维执行器驱动的智能结构的数值仿真与实验研究

论文摘要

压电智能结构利用压电材料的性能,使结构具有承载、传感和驱动能力,在航空航天领域有着重要的应用前景。压电纤维执行器利用纤维形压电相和交叉指形电极,不仅提高了执行器的韧性,而且使执行器具有各向异性的驱动性能,因此在智能材料与结构中有着广泛的应用。由于压电纤维与驱动结构的尺寸差异很大,在有限元仿真时划分网格十分困难,致使对智能结构的仿真分析十分复杂,甚至无法分析。鉴于此,本文通过比较逆压电效应本构方程与热弹性本构方程,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,用热弹性求解方法对压电纤维执行器所驱动的结构进行仿真分析。本文以压电纤维执行器驱动的复合材料为研究对象,采用理论与实验结合的方法对它的变形规律进行了研究。主要研究内容为:(1)介绍了压电效应的基础知识和理论;论述了有限单元法在压电复合材料分析中的基本理论和方法,及利用有限元进行模拟的一般步骤;并进行了压电元件的选取。(2)通过比较逆压电效应本构方程与热弹性本构方程,建立了逆压电效应与热弹性效应的比拟关系;并且应用热弹性比拟方法对压电纤维执行器的静态位移进行了仿真分析。(3)介绍了压电驱动结构的力学模型,推导了单一表面粘贴的均匀应变模型;应用热弹性方法结合有限元软件ANSYS对压电纤维执行器驱动的复合材料结构进行了数值仿真,分析了压电纤维执行器驱动的复合材料结构变形规律;并且对粘结层的厚度尺寸对压电纤维执行器驱动性能的影响进行了分析。(4)设计并搭建了压电纤维执行器驱动的复合材料的实验平台,介绍实验原理及实验器材,根据实验结果对仿真模型进行修正。将修正后的模型参数应用于压电纤维执行器驱动机翼典型结构——盒段进行数值仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 智能材料结构综述
• 1.2.1 智能结构的定义
• 1.2.2 智能结构的组成
• 1.2.3 压电智能结构
• 1.2.4 压电智能结构在航空领域的应用
• 1.3 压电技术研究概况
• 1.3.1 压电材料
• 1.3.2 压电技术的应用现状
• 1.3.3 压电智能板壳结构研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 压电材料基本理论及有限元方法简介
• 2.1 压电效应
• 2.1.1 压电效应及其表达式
• 2.1.2 压电效应机理
• 2.1.3 压电材料的本构方程
• 2.1.4 压电方程中各常数的物理意义及相互关系
• 2.2 压电材料的有限元研究方法
• 2.2.1 有限元分析方法概述
• 2.2.2 压电材料的有限元方程
• 2.2.3 压电材料有限元分析过程
• 2.2.4 SOLID98单元简介
• 2.3 压电片的选取
• 2.3.1 智能结构中的变形驱动材料
• 2.3.2 常用压电材料及选取
• 2.4 范例分析
• 2.5 本章小结
• 3 叉指形电极纯陶瓷压电执行器静态位移的热弹性比拟方法研究
• 3.1 纯陶瓷压电元件
• 3.1.1 普通电极形压电元件
• 3.1.2 交叉指形电极形纯陶瓷压电元件
• 3.2 热弹性比拟方法理论分析
• 3.2.1 压电本构方程
• 3.2.2 热弹性本构方程
• 3.2.3 压电方程与热力学方程的等效
• 3.3 数值算例
• 3.3.1 应用压电方法分析 IDEs压电执行器的性能
• 3.3.2 应用热弹性比拟方法分析 IDEs压电执行器的性能
• 3.4 本章小结
• 4 压电智能悬臂梁结构力学模型及有限元仿真分析
• 4.1 压电智能悬臂梁结构的力学模型
• 4.1.1 单一表面粘贴的均匀应变模型
• 4.1.2 单一表面粘贴的Bernoulli-Euler模型
• 4.2 压电智能悬臂梁结构的有限元仿真
• 4.2.1 P型压电纤维执行器驱动的智能悬臂梁的有限元仿真
• 4.2.3 F型压电纤维执行器驱动的智能悬臂梁的有限元仿真
• 4.2.3 仿真结果分析
• 4.3 粘贴层厚度尺寸对智能结构的影响
• 4.4 本章小结
• 5 压电纤维执行器驱动的悬臂梁结构形状主动控制实验研究
• 5.1 实验原理及实验装置
• 5.2 主要实验仪器
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 P型压电纤维执行器驱动的智能悬臂梁的实验研究
• 5.3.2 F型压电纤维执行器驱动的智能悬臂梁的实验研究
• 5.4 压电纤维执行器驱动的盒段结构的有限元仿真
• 5.4.1 盒段结构仿真模型
• 5.4.2 压电纤维执行器驱动的盒段结构的数值仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢