高温退火处理对ZnO压电涂层结构和性能的影响

ZnO是目前压电螺栓传感器的主要涂层材料,具备优异的压电性能,表现出优异的声-电信号转换性能,但目前对其高温结构及性能稳定性研究较少。本工作利用射频磁控溅射法在（100）Si和工业用钛合金螺栓上制备出可产生超声纵波的ZnO压电涂层,并对其进行不同温度和不同时长的退火处理,用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射和自建的WHU-US100声信号测量设备研究高温退火处理对涂层结构及性能的影响。结果表明,Si/ZnO涂层在600℃以下的退火处理不会对涂层表面微观形貌产生影响,涂层截面形貌呈现柱状晶结构,且随着温度的升高,柱状晶有合并的趋势;涂层表面粗糙度变化幅度为±4 nm;不同的退火温度对涂层的晶体结构未产生明显的影响。螺栓/ZnO涂层在500℃及以下温度的退火处理后涂层表面完整,600℃退火处理后的螺栓涂层完全脱落,超声检测表明涂层在500℃以下退火后保持稳定;在300℃下,经过长时间的退火处理后,螺栓样品可正常激发出超声波,涂层结构未被破坏,表明该ZnO涂层可以在300℃的温度范围内长期服役。     

电子阻尼的增进——局部激励应变的补偿

分析了以压电陶瓷片为作动和测量元件,构成速度负反馈的闭环控制的“电子阻尼技术”之所以不能大幅度增加结构阻尼的原因。提出了“局部激励应变补偿”和把通常的微分负反馈改为低截止频率的惯性环节正反馈的控制新方案。压电悬臂梁的实验表明,它们能使结构模态阻尼比大幅提高。     

平板压电除冰系统中压电元件排布规律研究

针对压电振动除冰方法在工程上的可用性,以平面铝板为研究对象,采用有限元模型和结构动力学分析的方法,对平板压电除冰系统中压电元件的排布规律进行了研究。以平板长度方向上的截面为研究对象,用有限元分析方法研究了二维压电耦合模型的模态振型,选取了长度方向上三阶模态振型为最佳除冰模态振型,并以此振型为后续三维模型的基础振型。针对压电元件数量、压电元件相对贴片数量和压电元件贴片集中度这三个不同的排布参数,利用三维压电耦合有限元模型,以冰层与平板交界面处的弹性应变作为激励效果的直接体现参数,仿真分析了压电元件在平板宽度方向上的排布规律。仿真结果表明：压电元件在宽度方向上排布在中间位置和边缘位置,对结构均具有较好的激励效果,压电元件的布局要避开宽度方向上弹性应变较小的位置,因此对于分布在平板宽度方向边缘的压电元件,仍然可以在目标结冰区激励出较强的振动效果;在相同的接触面积下,减小压电元件的相对贴片数量,提高压电元件的贴片集中度,均可以提高压电元件对平板的激励效果,因此在实际应用中,在尺寸和粘接结构情况允许的情况下,尽可能选择尺寸较大的压电元件;并且当曲面上压电元件的贴片范围被限制的情况下,适当提升某一方向上压电元件贴片集中度,可以提高对平板结构的激励效果。灵活结合压电元件排布规律,可以设计出可行的压电元件排布方式,为压电除冰系统的工程研究提供借鉴和参考。     

压电驱动器应用中的模型分析

随着压电材料的快速发展,压电驱动器在结构控制领域的使用也日益广泛。压电驱动器应用时要通过胶粘剂与主体结构固结,达到传递应变,实现控制结构变形的目的。本文对于这个工程问题的理论分析模型——均匀应变模型做了进一步分析讨论,并进行了数值仿真计算,得到了胶粘剂性质变化对驱动效果的影响情况。对结构端部的层间剪切应力的仿真模拟表明,在压电驱动器粘贴的主体结构的边缘处要加强胶粘剂的剪切强度,以防止边界脱层的发生。     

含脱胶压电传感器/驱动器的智能结构的有限元分析

将压电传感器、驱动器粘贴在复合材料结构的表面可实现结构的振动主动控制 ,但若传感器、驱动器部分脱开会对结构的静、动态特性产生显著影响。建立了一个新的加强假定应变压电固体单元 ,用于压电自适应层合结构振动主动控制的模拟仿真。与现有的压电固体单元相比 ,所建单元性能更优越 ,精度和计算效率更高 ,并能用于壳体结构的分析。采用相同坐标值但不同的节点号的方法模拟脱层 ,利用该单元分析了传感器、驱动器脱开对结构动力学特性的影响。     

应变反馈式压电陶瓷微位移驱动器的研制

介绍了采用应变片测量压电陶瓷微位移驱动器位移的原理和设计思想，介绍了实验装置的结构，给出了实验结果，证明将应变片直接粘贴在压电陶瓷基体表面测量其位移的方法是可行性的；通过对压电陶瓷滞回特性的测定，提出了建立压电陶瓷的控制模型的基本思路。     

压电降噪的多物理场建模分析方法

针对板状结构，根据模态分析结果，确定压电片的布局；基于压电效应，进行压电降噪仿真计算；分析结果与实验结果一致性较好，验证了分析方法的正确性。该分析方法可供航空壁板结构压电降噪参考。     

压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响

首先通过引入气动影响系数,建立了振动相关气动力与系统振动位移成比例的线性模型。基于此导出了叶盘结构气弹耦合的线性振动方程。接着在叶盘结构中引入压电网络,建立了流 机 电耦合动力学方程;并采用集总参数等效模型研究了压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响,对流 机 电耦合系统的特征值问题进行求解,获得了可作为系统气弹稳定性判据的模态气动阻尼比。研究表明,压电网络可以有效改善叶盘结构主要振动形式——节径型振动的气弹稳定性;通过对压电网络中电学参数进行优化设计,可以在较宽范围内提高叶盘结构的颤振边界;压电网络对弯曲振动模态气动阻尼的改善效果优于弯扭耦合振动模态。      

失谐周期压电复合材料结构中的波动局部化研究

考虑力电耦合效应的影响,研究了层状失谐周期压电复合材料结构中的波动局部化问题。根据界面上力电连续条件,推导了结构中相邻单胞间的传递矩阵。以力场和电场变量为状态向量,给出了结构中局部化因子的表达式。作为算例,计算了结构中的波动局部化因子。计算结果表明,压电陶瓷的压电效应对周期压电复合材料的波动局部化特性有显著影响,压电常数越大局部化因子值越大,结构的局部化程度越强;结构的失谐度越大,频率通带区间内的局部化因子值越大,局部化程度越强。分析结果对于周期压电复合材料结构的优化设计和振动控制具有理论参考价值。     

压电纤维复合材料铺层用于翼面设计的驱动特性与刚度影响

压电纤维复合材料驱动器在形状控制、振动控制、颤振抑制与抖振控制等方面有广泛的应用前景。首先简单介绍了压电应变驱动的比拟载荷方法,并采用该方法讨论了压电陶瓷片状驱动器与压电纤维复合材料驱动器在驱动特性上的主要差异。在此基础上,对压电纤维复合材料在不同铺设方式、铺设角度与铺设层数下的驱动特性进行了分析,在刚度影响方面展示了不同铺设角度下模型刚轴的移动。分析结果表明:对称铺设反向电场可以同时获得弯曲与扭转变形,而反对称铺设同向电场主要获得扭转变形;两种铺设方式下45°铺设角均获得最大弦向转角,而0°铺设角将获得最大挠度;多铺层可以增加驱动载荷,但总体变形效果还取决于结构系统的刚度比例;对称铺设方式下铺设角对结构刚轴移动的影响非常明显,在气动弹性控制中应着重关注。