圆形压电单晶执行器(Circular piezoelectric unimorph actuator, CPUA)由圆形压电陶瓷片通过环氧树脂粘结在金属基层上构成,由于结构简单、输出位移相对较大,在采用压电执行器作为力或位移发生器的领域得到广泛应用。为对圆形压电单晶执行器以及基于圆形压电单晶执行器的系统进行性能预测和/或结构优化,建立其分析模型是关键。由于粘结层相对压电层和基层很薄,很多圆形压电单晶执行器模型只考虑了压电陶瓷晶片和基层,忽略了粘结层。如果在建模的过程中考虑粘结层应该能更精确模拟圆形压电单晶执行器的挠度变形。本文利用圆形薄板小挠度弯曲理论建立了固支边部分覆盖圆形压电单晶执行器在作用电压控制下的挠度数学模型,在建模过程中将粘结层作为单独一层考虑。根据建立的数学模型,分析了电压、压强及圆形压电单晶执行器的几何参数和材料特性对其挠度的影响。建立了实验装置对圆形压电单晶执行器静态和动态挠度进行了测试。根据本文建立的模型以圆形压电单晶执行器变形体积最大为目标对圆形压电单晶执行器的几何结构进行了优化。本文主要的研究工作和成果包括:1.利用圆形薄板小挠度弯曲理论、压电本构方程和轴对称的平衡方程建立了固支边部分覆盖圆形压电单晶执行器在作用电压控制下的挠度数学模型,在建模过程中将粘结层作为单独一层考虑。2.根据建立的数学模型,分析了作用于圆形压电单晶执行器的电压、压强及圆形压电单晶执行器的几何参数和材料特性对其挠度的影响。当圆形压电单晶执行器结构一定时,改变作用电压或压强可得到圆形压电单晶执行器不同的挠度,且圆形压电单晶执行器的中心挠度与作用电压和压强成正比;当压电层和基层的半径比在0.85-0.9左右时圆形压电单晶执行器中心挠度达到最大值,圆形压电单晶执行器变形最大;粘结层与基层厚度比越小,圆形压电单晶执行器挠度越大,实际设计圆形压电单晶执行器时,为了得到较大的挠度,可以在不影响压电层和基层的粘结的情况下减小粘结层的厚度;粘结层的柔性系数对圆形压电单晶执行器挠度影响很小,在优化设计圆形压电单晶执行器时可以不考虑粘结层的柔性系数。3.建立了实验装置并对两种半径比的圆形压电单晶执行器的静态和动态挠度进行了测试。实验结果表明由建立的模型预测的圆形压电单晶执行器的静态挠度与实际测得值吻合,比忽略粘结层的模型更精确,相对最大误差最多可减小8.45%;忽略粘结层影响的情况下部分覆盖圆形压电单晶执行器挠度模拟误差明显大于半覆盖圆形压电单晶执行器挠度模拟误差;由于未考虑压电陶瓷的迟滞特性,本文建立的模型在预测圆形压电单晶执行器的动态特性时存在较大误差,需进一步研究。4.根据本文建立的圆形压电单晶执行器的挠度模型,以圆形压电单晶执行器变形体积最大为目标对圆形压电单晶执行器的几何结构运用遗传算法进行了优化。优化结果表明,当基层半径一定时,压电层和基层的半径比为0.865,压电层、粘结层和基层的厚度为允许值的最小值时,圆形压电单晶执行器变形体积最大。本文的研究工作对圆形压电单晶执行器以及基于圆形压电单晶执行器的系统进行性能预测和/或结构优化奠定了理论基础。