表面部分电极的含金属芯压电纤维振动传感特性研究

含金属芯压电纤维是一种新型的压电传感器,建立了表面部分电极的含金属芯压电纤维(PMPF)的振动传感理论模型。把悬臂梁结构的纤维固定在振动源上,根据第四类压电方程,基于振动理论,推导了在其固定端受到简谐振动和冲击振动激振条件下,纤维两电极间产生的电压值;根据理论和数值仿真结果,分析了表面电极分布角度、纤维长度对产生电压的影响,及PMPF的尺寸参数对其一阶共振频率的影响。实验结果表明,在测量振动源简谐振动和冲击振动的频率和幅值时,PMPF能有较好的传感性能。     

含圆周非贯穿裂纹悬臂管道的振动分析与裂纹识别

摘 要：根据线性断裂力学理论和应变能释放原理,推导了含圆周非贯穿裂纹管道在轴力、剪力和弯矩等荷载作用下的局部柔度系数方程,利用适应性Simpson方法编写了数值积分程序进行局部柔度系数求解,建立了含裂纹管道的二维有限元模型进行含裂纹悬臂管道的振动特性分析,应用等值线图原理进行了悬臂管道的裂纹识别。研究结果表明：本文裂纹模型克服了当前裂纹模型仅针对特定的荷载模式或非空心截面的缺陷,基于等值线图法能有效识别含裂纹悬臂管道的裂纹位置、深度。     

一种精确的压电双晶片参数动态测试模型和方法

本根据悬臂染式压电双晶片的动态导纳矩阵，设计了一种器件参数动态测试模型，用于测量压电双晶片的几个主要参数：压电常数d31、机电耦合系数κ31、介电常数ε33^T、弹性顺度常数s11^E和等效电容等。中详细叙述了测试模型的建立和测试步骤，并提出了一种实际试样的测试结果。理论与实验表明，这种新的动态测试方法是精确、可行的。     

区间参数智能梁结构开环系统动力特性分析

以区间参数压电智能梁结构为研究对象,在材料性能参数和几何尺寸为区间变量时采用区间分析法建立了结构质量矩阵和刚度矩阵的区间模型。从求解结构振动动态特性的Rayleigh商出发,利用区间变量运算法则推导出了结构开环系统固有频率的数字特征表达式。通过算例,考察了区间参数对结构固有频率特性的影响,验证了所建模型和方法的可行性与合理性。研究结果表明,文中利用区间系数分析法来研究压电智能梁结构开环系统的动力特性具有一定的工程应用价值。     

底座激振下检测微型叠层芯片共振频率

摘 要：为测试微悬臂芯片的动态特性,建立了以压电陶瓷为激振底座的测试系统。采用白噪声、稳态正弦和快速正弦（啁啾信号）扫频方式激励微叠层悬臂芯片,由多普勒测振仪测试芯片动态响应。通过分析压电陶瓷阻抗变化与芯片动态响应,获得的频率对应于压电陶瓷激振器所激励叠层芯片的一阶共振频率,这可作为微结构和器件的动态分析的测试方案。     

悬臂Kagome夹心板独立模态空间振动控制研究

针对悬臂板挠度大、低频振动突出问题,对悬臂Kagome夹心板的振动主动控制进行研究。建立结构及压电作动器有限元模型;将独立模态空间控制与模态观测器相结合,提出悬臂Kagome夹心板的主动控制策略;针对突风载荷作用下夹心板基于独立模态空间的振动控制进行仿真,重点研究观测器极点对控制效果影响。结果表明,所提控制方法能显著提高悬臂Kagome夹心板结构的阻尼特性,观测器衰减系数越大控制效果越好;该夹心板在振动控制方面较传统板结构优势明显。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

声桥系统压电植入振子力学建模及参数优化

根据作用于圆窗的压电式振动声桥的工作原理,建立了压电振子与圆窗耦合的动力学模型,由此推导出该模型的电-机能量转化的传递函数.通过在Matlab环境中进行仿真试验,讨论了压电应变常数、振子支座质量及支座刚度等参数对传递函数的影响,并分别优化了各个参数.研究结果为新型振动压电植入振子的研制奠定了理论基础.     

基于视频测量的运行状态模态分析

视频测量技术通过摄像机记录被测结构的振动过程,采用图像处理方法实现对结构上测点的多目标跟踪,具备全场非接触、测试过程简便、测量精度高等突出优点。基于摄像机成像模型,采用光束法平差提取出结构测点三维方向位移振动信息,每个测点等效于一个三轴"微位移传感器",对多测点目标跟踪可视为多通道同步数据采集。对摄像机成像系统进行校准,依照结构形状特性分布测点,由结构静止时各测点的空间位置构建出测试结构的几何模型,进行视频采集和多目标跟踪获取各测点动态响应数据,采用运行状态模态分析方法,识别出被测结构的固有模态参数。基于视频测量实现了测试结构几何建模和信号采集,并与模态分析软件紧密结合,形成了完整的视频采集与分析系统,具备良好的空间域展现能力,特别适用于柔性低频结构的动态测试与分析。以轻质风扇叶片、若干树叶等结构为对象进行实验研究,验证了该技术和方法的有效性。     

初应力对压电薄膜体声波谐振器厚度拉伸模态谐振特性的影响

本文研究了初应力对压电薄膜体声波谐振器（FBAR）厚度拉伸模态谐振特性的影响。利用含初应力压电材料的压电弹性基本方程,推导出理想FBAR在正弦激励电压作用下的振动方程。然后根据边界条件,求出问题的解。得到了串联和并联谐振频率,并给出了具体的数值算例,讨论了初应力对谐振频率、带宽和有效机电耦合系数的影响。所得结果对于提高和改善FBAR的性能有参考意义。     

悬臂梁压电振动能采集器的集总参数模型和实验验证

压电振动能采集器是无线传感节点的一种理想电源,近年来受到广泛关注．考虑质量块和逆压电效应影响,建立了在基础激励作用下的悬臂梁压电振动能采集器的集总参数运动微分方程,得到了采集器固有频率的解析表达式．引入了2个反映压电层连接方式的常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的悬臂梁压电振动能采集器均适用的耦合电路方程．求解以上方程,得到了简谐基础激励下的输出电压表达式．实验结果表明,固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10％和20％．     

金属芯压电纤维/聚合物复合材料压电-黏弹-塑性行为的细观力学模型

为了表征金属芯压电纤维增强聚合物基（MPF/PM）复合材料非线性、时变的压电-黏弹-塑性行为,基于变分渐近理论建立MPF/PM增量形式的细观力学模型。首先分别导出聚合物和MPF增量型本构方程,基于汉密尔顿扩展原理推导出MPF/PM压电-黏弹-塑性变分原理的能量泛函。考虑材料的时变和非线性特征,建立与求解瞬时有效机-电耦合矩阵有关的增量过程,并通过有限元技术实现模型的数值模拟。利用构建模型研究了不同铝芯体积分数、电场变化率和加载条件对MPF/PM有效全局应力-应变和单轴纵向拉伸性能的影响。结果表明,构建的模型能准确模拟MPF/PM多场耦合作用下的非线性、时变行为,为该新型智能材料的实际工程应用奠定理论基础。     

A new insight on vibrations and buckling of a cantilevered beam under a constant piezoelectric actuation

If external axial forces are not acting on a cantilevered beam, the resultant axial force at any cross section along the beam is equal to zero. Thus according to classical beam theories the lateral vibrations of a cantilevered beam are not influenced by applying a constant electric voltage to collocated surface bonded piezoelectric layers or patches. The purpose of this note is to show that in-plane cross sectional deformations due to small lateral vibrations, that are assumed to have negligible influence in the case of classical beam theories, may change the situation drastically. When coupled with the internal stresses due to the constant electric voltage, these small cross sectional deformations result in a significant influence on the free lateral vibrations.     

PMN-PT驰豫铁电单晶及其超声换能器性能研究

测试了PMN－PT（67／33）切型铁电单晶的机电性能,分析了该晶体与常用压电材料在微观结构和机电性能上差异。对该压电单晶未调末调制下纵向长度伸缩振动模超声换能器性能进行了理论分析。讨论了压电单晶的机械和介电损耗对超声换能器性能的规律。     

多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

摘要：为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出了一种新颖的多方向振动能量收集装置的设计结构,装置的换能部分采用了一种Rainbow型压电结构。为提高多方向振动能量收集装置收集能量的效果,以多方向振动能量收集装置输出的总电能为目标函数,综合考虑金属弹性基片的强度、装置振动的固有频率及装置的尺寸空间要求等多种因素,采用序列二次规划法对能量收集装置的结构参数进行了优化。该多方向振动能量收集装置经过优化后,在Y向激励时,其输出的总电能为37.146μJ,比优化前提高了30.82%,当沿装置体对角线方向激励时,结构装置输出的总电能为58.715μJ,比优化前提高了29.24%,装置的能量收集效果得到了明显提高。分析结果为多方向振动能量收集装置的设计、制造及应用提供了技术依据。     

High-frequency, silicon-based ultrasonic nozzles using multiple Fourier horns

This paper presents the design, simulation, and characterization of microfabricated 0.5 MHz, silicon-based, ultrasonic nozzles. Each nozzle is made of a piezoelectric drive section and a silicon resonator consisting of multiple Fourier horns, each with half wavelength design and twice amplitude magnification. Results of finite element three-dimensional (3-D) simulation using a commercial program predicted existence of one resonant frequency of pure longitudinal vibration. Both impedance analysis and measurement of longitudinal vibration confirmed the simulation results with one pure longitudinal vibration mode at the resonant frequency in excellent agreement with the design value. Furthermore, at the resonant frequency, the measured longitudinal vibration amplitude at the nozzle tip increases as the number of Fourier horns (n) increases in good agreement with the theoretical values of 2(n). Using this design, very high vibration amplitude gain at the nozzle tip can be achieved with no reduction in the tip cross-sectional area for contact of liquid to be atomized. Therefore, the required electric drive power should be drastically reduced, decreasing the likelihood of transducer failure in ultrasonic atomization.     

Nonlinear vibration of the piezoelectric nanobeams based on the nonlocal theory

This paper investigates the nonlinear vibration of the piezoelectric nanobeams based on the nonlocal theory and Timoshenko beam theory. The piezoelectric nanobeam is subjected to an applied voltage and a uniform temperature change. The nonlinear governing equations and boundary conditions are derived by using the Hamilton principle and discretized by using the differential quadrature (DQ) method. A direct iterative method is employed to determine the nonlinear frequencies and mode shapes of the piezoelectric nanobeams. A detailed parametric study is conducted to study the influences of the nonlocal parameter, temperature change and external electric voltage on the size-dependent nonlinear vibration characteristics of the piezoelectric nanobeams.     

Improvement of the longitudinal vibration system for the hybrid transducer ultrasonic motor

This paper presents a symmetric hybrid transducer ultrasonic motor designed to produce large longitudinal vibration stress in the rotor/stator contact interface for high-torque operation. The nodal plane of the longitudinal vibration mode was adjusted to match the rotor/stator contact interface, and the piezoelectric ceramic disks for the longitudinal vibration were installed at the nodal plane of the longitudinal vibration mode for effective excitation. An experimental motor, 20 mm in diameter, using the first torsional vibration mode and the second longitudinal vibration mode was manufactured. A maximum torque of 0.8 N.m was achieved in the prototype, an improvement over previous versions.     

基于含金属芯压电纤维与Lamb波的一维结构损伤定位研究

含金属芯压电纤维(Metal-core Piezoelectric Ceramic Fiber,MPF)是一种新型压电功能器件.介绍了MPF的结构及其对圆形压电片激励Lamb波的传感响应模型.利用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟的原理,把MPF传感单一模式Lamb波在一维结构中进行了损伤定位研究.研究结果表明:MPF可以进行Lamb波的单一模式传感,采用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟效果较好,损伤定位精度较高.     

Nonlinear vibration of piezoelectric nanoplates using nonlocal Mindlin plate theory

ABSTRACT

This article investigates the nonlinear vibration of piezoelectric nanoplate with combined thermo-electric loads under various boundary conditions. The piezoelectric nanoplate model is developed by using the Mindlin plate theory and nonlocal theory. The von Karman type nonlinearity and nonlocal constitutive relationships are employed to derive governing equations through Hamilton's principle. The differential quadrature method is used to discretize the governing equations, which are then solved through a direct iterative method. A detailed parametric study is conducted to examine the effects of the nonlocal parameter, external electric voltage, and temperature rise on the nonlinear vibration characteristics of piezoelectric nanoplates.