基于挠曲电效应的高频振动激励和传感理论及方法研究

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挠曲电效应是指应变梯度和电极化之间的机电耦合作用。这种独特的效应表现出显著的尺寸效应,通常随着材料尺寸的缩小而增大。此外,它可以打破中心对称的限制,已经在许多种类的材料中被发现,包括绝缘体、液晶、生物材料和半导体。近年来,基于挠曲电效应的驱动器和传感器备受关注,但绝大多数研究集中于低频准静态(<10Hz)下的挠曲电响应,鲜有文章关注挠曲电材料在高频激励下的挠曲电性能。本文旨在研究高频下挠曲电驱动梁和传感梁的响应输出。首先从挠曲电材料的热力学势(自由能密度)表达式出发,根据弯曲变形下挠曲电梁的应变张量矩阵,对热力学势积分(在梁厚度方向上)利用变分导数和边界条件推导出挠曲电梁的本构方程,即驱动方程和传感方程,建立了挠曲电梁的静力学模型。提出了一种集中力—集中力矩模型,预测并验证了挠曲电驱动器与基体结构之间的耦合作用;基于驱动器与基体之间的剪切力和正应力作用,推导了挠曲电驱动器激励下基体结构中Lamb波传播的解析解。进一步,根据剪切力和正应力集中分布特性,得到Lamb波传播的封闭解,由封闭解中存在的调制函数,实现Lamb波的模态调制。通过有限元仿真成功实现挠曲电驱动器激励下的Lamb波调制,验证了挠曲电梁驱动模型的有效性。设计了一种压电梁—挠曲电梁双晶片结构,基于挠曲电梁在高频激励下的动力学响应,分析并计算了该双晶片结构中挠曲电梁的残余压电性、表面压电性和挠曲电响应输出。进一步,利用梁的挠曲电响应输出计算出有效挠曲电系数,与综述文献报道的挠曲电系数相吻合,证明了压电梁—挠曲电梁双晶片结构中存在挠曲电响应,验证了挠曲电梁传感模型的有效性。本文的研究可为基于挠曲电驱动器的结构健康状态监测系统的设计提供指导意义,同时也验证了挠曲电梁作为高频传感用途的可行性。
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