壓電纖維執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的智能結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、壓電智能結(jié)構(gòu)利用壓電材料的性能，使結(jié)構(gòu)具有承載、傳感和驅(qū)動(dòng)能力，在航空航天領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。壓電纖維執(zhí)行器利用纖維形壓電相和交叉指形電極，不僅提高了執(zhí)行器的韌性，而且使執(zhí)行器具有各向異性的驅(qū)動(dòng)性能，因此在智能材料與結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用。由于壓電纖維與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的尺寸差異很大，在有限元仿真時(shí)劃分網(wǎng)格十分困難，致使對(duì)智能結(jié)構(gòu)的仿真分析十分復(fù)雜，甚至無(wú)法分析。鑒于此，本文通過(guò)比較逆壓電效應(yīng)本構(gòu)方程與熱彈性本構(gòu)方程，將驅(qū)動(dòng)電壓比擬為溫度載荷

2、，壓電應(yīng)變系數(shù)比擬為熱膨脹系數(shù)，用熱彈性求解方法對(duì)壓電纖維執(zhí)行器所驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。 本文以壓電纖維執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)它的變形規(guī)律進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容為： (1)介紹了壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)和理論；論述了有限單元法在壓電復(fù)合材料分析中的基本理論和方法，及利用有限元進(jìn)行模擬的一般步驟；并進(jìn)行了壓電元件的選取。 (2)通過(guò)比較逆壓電效應(yīng)本構(gòu)方程與熱彈性本構(gòu)方程，建立了逆壓

3、電效應(yīng)與熱彈性效應(yīng)的比擬關(guān)系；并且應(yīng)用熱彈性比擬方法對(duì)壓電纖維執(zhí)行器的靜態(tài)位移進(jìn)行了仿真分析。 (3)介紹了壓電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，推導(dǎo)了單一表面粘貼的均勻應(yīng)變模型；應(yīng)用熱彈性方法結(jié)合有限元軟件ANSYS對(duì)壓電纖維執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了壓電纖維執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變形規(guī)律；并且對(duì)粘結(jié)層的厚度尺寸對(duì)壓電纖維執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)性能的影響進(jìn)行了分析。 (4)設(shè)計(jì)并搭建了壓電纖維執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)