论文部分内容阅读
水泥基压电复合材料，不但与混凝土材料相容性好、界面黏结强度较高，而且还能够保持较高的压电性能、感知灵敏度高，在土木工程结构中具有广泛的应用。大型有限元软件ANSYS10.0能够很好得对压电耦合场进行仿真模拟，进而较全面得探究压电陶瓷及水泥基压电复合材料的驱动传感性能。在驱动性能方面，对压电陶瓷、普通水泥基压电复合材料及交叉指形水泥基压电复合材料（ICPCM）进行了系统的ANSYS仿真模拟：依次进行了静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析和优化设计，主要结论如下：1、对于压电陶瓷和普通水泥基压电复合材料，z向最大位移和应力均出现在表面边缘位置，相比压电陶瓷，普通水泥基压电复合材料z向最大位移提高10.9%，说明水泥基压电复合材料的压电应变常数d33有所增大；利用串联排布方式制成压电元件堆叠结构，可以提高其最大位移量。对于ICPCM，其x向均比y向的最大位移、应力和应变结果大2倍之多，表现出了较明显的正交异性。2、压电陶瓷和普通水泥基压电复合材料的频率均存在重频现象，没有正交性。ICPCM的频率无重频现象，进一步说明了其特有的正交性。3、压电陶瓷和普通水泥基压电复合材料的响应频率较大，y、z向位移、应力等结果约在400kHz达到响应极值，但都表现出了稳态响应的特点。ICPCM的x、y向应变响应频率相同，响应频率范围较小。4、压电陶瓷和普通水泥基压电复合材料存在迟滞效应，但波形没有影响，其迟滞效应可以接受。而ICPCM的迟滞效应比较明显，波形不圆滑，说明驱动电压的加载区域对迟滞效应影响较大，制作ICPCM时，应保证正负电极在上下表面的对称性。5、对压电陶瓷和普通水泥基压电复合材料的半径R和厚度H进行优化设计，最优方案相似，均可取为半径R为0.005m，厚度H为0.0008m。对ICPCM的厚度H、电极中心距P、电极宽度W进行优化设计,其最优方案可取H为0.006m，电极中心距P为0.001m，电极宽度W为0.0007m。最后在传感性能方面，利用ANSYS初步对压电陶瓷和普通水泥基压电复合材料进行了静力分析和模态分析，得到其电势大小及分布规律并做了比较分析：对于特定的压电元件，当位移量（压力）一定时，电压值随着压电元件的厚度的增加而增大；压电陶瓷和水泥基压电复合材料的频率仍存在重频现象，虽然前几阶频率较小，但仍不在常用工程振动频率范围之内，需要采取措施使其满足振动频率要求。