夾心式彎振壓電換能器有效機(jī)電耦合系數(shù)的研究.pdf

1、壓電驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、構(gòu)型靈活、響應(yīng)速度快、功率密度大、無(wú)電磁干擾和運(yùn)動(dòng)精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、壓電材料布置等諸多因素的影響,目前用于驅(qū)動(dòng)的壓電換能器的機(jī)電耦合效率較低。也就是說(shuō),有相當(dāng)大的一部分能量并沒(méi)有真正轉(zhuǎn)化為壓電換能器的振動(dòng)能用于驅(qū)動(dòng),而是在壓電換能器內(nèi)部循環(huán),最終以熱量的形式耗散。有效機(jī)電耦合系數(shù)作為壓電換能器機(jī)電耦合效率的表征,對(duì)提高壓電換能器能量轉(zhuǎn)換效率具有重要的研究?jī)r(jià)值。但是,目前并沒(méi)有一套完善

2、的理論體系,使得壓電換能器的機(jī)電耦合效率有效提高。因此,對(duì)提高壓電換能器有效機(jī)電耦合效率的理論研究很有必要。本文正是基于上述研究背景,選擇夾心式彎振壓電換能器為研究對(duì)象,對(duì)換能器的有效機(jī)電耦合系數(shù)的理論模型進(jìn)行研究。
　　本文將夾心式彎振壓電換能器簡(jiǎn)化為等截面壓電金屬?gòu)?fù)合梁,基于Timoshenko梁理論和邊界條件理論,建立了壓電金屬?gòu)?fù)合梁的彎曲振動(dòng)理論模型。本文給出了具體結(jié)構(gòu)尺寸下,夾心換能器的前三階彎振模態(tài)的特征頻率及振型函數(shù)

3、曲線。通過(guò)建立換能器的有限元模型,進(jìn)行模態(tài)分析,與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
　　在壓電金屬?gòu)?fù)合梁彎振模型的基礎(chǔ)上,對(duì)換能器的機(jī)械能、電能、機(jī)電耦合能進(jìn)行求解,并結(jié)合換能器的機(jī)電等效圖原理,建立夾心式彎振壓電換能器的有效機(jī)電耦合系數(shù)的理論模型。基于該模型,以有效機(jī)電耦合系數(shù)為目標(biāo)函數(shù),利用單形替換法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了彎振換能器在一階彎振模態(tài)和二階彎振模態(tài)下,各部分軸向尺寸的優(yōu)化比例。
　　由于理論建模時(shí)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化,本文建