0-3型水泥基壓電復合材料FEM分析與優(yōu)化設計.pdf

1、水泥基壓電復合材料，不但與混凝土材料相容性好、界面黏結(jié)強度較高，而且還能夠保持較高的壓電性能、感知靈敏度高，在土木工程結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應用。大型有限元軟件ANSYS10.0能夠很好得對壓電耦合場進行仿真模擬，進而較全面得探究壓電陶瓷及水泥基壓電復合材料的驅(qū)動傳感性能。
　　在驅(qū)動性能方面，對壓電陶瓷、普通水泥基壓電復合材料及交叉指形水泥基壓電復合材料(ICPCM)進行了系統(tǒng)的ANSYS仿真模擬:依次進行了靜力分析、模態(tài)分析、諧響應

2、分析、瞬態(tài)動力分析和優(yōu)化設計，主要結(jié)論如下:
　　1、對于壓電陶瓷和普通水泥基壓電復合材料，z向最大位移和應力均出現(xiàn)在表面邊緣位置，相比壓電陶瓷，普通水泥基壓電復合材料z向最大位移提高10.9％，說明水泥基壓電復合材料的壓電應變常數(shù)d33有所增大;利用串聯(lián)排布方式制成壓電元件堆疊結(jié)構(gòu)，可以提高其最大位移量。對于ICPCM，其x向均比y向的最大位移、應力和應變結(jié)果大2倍之多，表現(xiàn)出了較明顯的正交異性。
　　2、壓電陶瓷和普通水

3、泥基壓電復合材料的頻率均存在重頻現(xiàn)象，沒有正交性。ICPCM的頻率無重頻現(xiàn)象，進一步說明了其特有的正交性。
　　3、壓電陶瓷和普通水泥基壓電復合材料的響應頻率較大，y、z向位移、應力等結(jié)果約在400kHz達到響應極值，但都表現(xiàn)出了穩(wěn)態(tài)響應的特點。ICPCM的x、y向應變響應頻率相同，響應頻率范圍較小。
　　4、壓電陶瓷和普通水泥基壓電復合材料存在遲滯效應，但波形沒有影響，其遲滯效應可以接受。而ICPCM的遲滯效應比較明顯，波

4、形不圓滑，說明驅(qū)動電壓的加載區(qū)域?qū)t滯效應影響較大，制作ICPCM時，應保證正負電極在上下表面的對稱性。
　　5、對壓電陶瓷和普通水泥基壓電復合材料的半徑R和厚度H進行優(yōu)化設計，最優(yōu)方案相似，均可取為半徑R為0.005m，厚度H為0.0008m。對ICPCM的厚度H、電極中心距P、電極寬度W進行優(yōu)化設計，其最優(yōu)方案可取H為0.006m，電極中心距P為0.001m，電極寬度W為0.0007m。
　　最后在傳感性能方面，利用AN