ANSYS压电驱动器的动力学建模与仿真(3)

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压电材料石英晶体压电陶瓷圆片

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。论文网

压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。

在目前压电材料的研究与进展中，有四种新型压电材料值得注意：细晶粒压电陶瓷、PbTiO3系压电陶瓷、无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料、多元单晶压电体。与以往微米级的多晶材料的压电陶瓷相比，亚微米级的细晶粒压电陶瓷能更易于材料加工，同时产痛的掺杂工艺克服了减小粒径带来的压电效应降低的影响。且制作细晶粒材料的成本也大大降低。纳米技术的发展更使细晶粒压电陶瓷的研究和应用开发成为热点。PbTiOs系压电陶瓷是耐高温、耐高频的压电陶瓷元件。人们在改变PbTiOs性能方面作了许多努力，初步解决PbTiOs陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，改善了烧结性。改良后的PbTiOs材料广泛应用于高频器件，金属探伤等。压电陶瓷—高聚物复合材料是压电复合材料，由无机压电陶瓷和有机树脂构成，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。它的接收灵敏度很高，可做超声波换能器和传感器。压电性特异的多元单晶压电体为具有更有压电性的新压电材料。以Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）为代表。它单晶的最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，储能密度高达130J/kg，远大于传统压电陶瓷的储能密度10J/kg。目前美、日、俄、中均已开始研究这类材料的生产工业，其大批量生产将推动压电材料飞速发展[10]。文献综述

2.3隐式软件处理研究对象的缺陷

目前瞬态动力学有限元分析均可考虑几何非线性、材料非线性和接触-碰撞非线性因素，对承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应都可进行仿真模拟与力学分析与计算。有限元分析中目前存在的两种数值积分算法隐式和显式数值计分方法均可对瞬态动力学问题进行求解和仿真处理。然而，在处理本研究对象时，换能器系统前端的变幅杆与不锈钢板之间的动态相互作用十分复杂，尤其是界面状态的接触、分离情况不明显，界限不清晰。利用隐式算法进行求解会导致严重的收敛问题。另一方面，动态显式算法具有良好的稳定性，计算速度快，只要时间步长取的足够小，收敛性问题一般不用考虑。而且，显式动力学分析程序如LS-DYNA等在处理接触-碰撞问题及其仿真模拟方面具有比采用隐式分析方法的动力学分析软件更大的优势，因而对本文研究对象采用显式积分算法和显式动力学分析软件LS-DYNS进行瞬态动力学仿真分析与力学计算。