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基于力电耦合材料振动能量捕获研究

作　者: 周昌全
导　师: 王林翔；冯长水
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 力电耦合能量捕获铁电材料压电材料极化反转铁电相变微分模型
分类号: TM221
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文以推进铁电材料与结构的应用,研究分布式能量捕获方法和原理为目的;以压电悬臂梁和铁电悬臂梁为研究对象,开展铁电材料和复合结构中与电畴变相关的滞回动力学研究,以及振动能量捕获的相关研究,对其他智能材料与结构的研究,也同样具有非常直接的、有价值的参考意义。本文主要内容如下:第一章,首先阐述了本文的研究背景和意义,并基于国内外力电耦合材料振动能量捕获的研究现状,归纳和分析其中亟待解决的关键科学与技术问题,确定了本文的研究思路。第二章,首先较详细地介绍了铁电材料的畴结构和畴结构的极化反转,根据热力学理论,介绍了铁电第一相变和铁电第二相变。并基于朗道相变理论,建立了一个新的铁电材料微分本构模型,利用这个微分模型,有些地模拟了铁电材料的单滞回环和双滞回环,为将来铁电材料的运用奠定基础。同时还介绍了基于悬臂梁振动的能量捕获基本原理。第三章,首先简要介绍了压电效应和压电方程,其次基于欧拉-伯努利梁的弯曲静力方程,建立了铁电悬臂梁和压电悬臂梁的力电耦合方程,并利用Comsol Multiphysics软件对压电悬臂梁进行了数值模拟,分别对自由端受到100N作用力和50N作用力进行了数值仿真,得出悬臂梁自由端挠度与自由端受力成正比。第四章,简述了力电耦合材料振动台架实验系统的基本原理,搭建了力电耦合结构振动试验台架,并基于labview软件设计了该试验台架的数字采集系统。第五章,首先利用力电耦合结构振动试验台架,对铁电悬臂梁和压电悬臂梁进行振动能量捕获实验,比较分析了铁电悬臂梁和压电悬臂梁在不同激振频率和振幅作用下所产生的电量,其次比较分析了相同激振频率和振幅作用下铁电悬臂梁和压电悬臂梁所产生的电量的大小,并分析了实验现象的原因,最终得出力电耦合悬臂梁的输出电量的大小与激振频率和振动幅值有关。第六章,首先对本文所做的工作做了一个总结,其次指出了本文工作存在的不足,如压电悬臂梁和铁电悬臂梁的激励振幅过小,从而使得铁电悬臂梁无法得到较大的外载荷,因而无法让铁电材料发生极化反转;同时在压电材料和铁电材料的选型上还需要进一步的改进,以方便实验数据的比较。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-17
  1.1 研究背景和意义  10-11
  1.2 力电耦合材料动力学和能量捕获的国内外研究现状  11-15
    1.2.1 力电耦合材料研究现状  11-14
    1.2.2 力电耦合材料能量捕获研究现状  14-15
  1.3 本文的工作和研究方法  15-16
  1.4 本章小结  16-17
2 铁电材料本构模型及能量捕获原理  17-33
  2.1 铁电材料  17-21
    2.1.1 压电体、热释电晶体和铁电体的关系  17-18
    2.1.2 铁电畴结构  18-19
    2.1.3 铁电畴的极化反转  19-21
  2.2 铁电材料的铁电相变  21-26
    2.2.1 铁电相变基本概念  21-22
    2.2.2 二级铁电相变  22-24
    2.2.3 一级铁电相变  24-26
  2.3 铁电材料的本构模型  26-31
    2.3.1 Bouc-wen 微分模型  26-27
    2.3.2 Preisach 模型  27-28
    2.3.3 基于朗道理论的微分模型  28-31
  2.4 悬臂梁振动式能量捕获基本原理  31-32
  2.5 本章小结  32-33
3 压电、铁电悬臂梁的力电耦合方程  33-43
  3.1 压电材料  33-35
    3.1.1 压电效应  33-34
    3.1.2 压电方程  34-35
  3.2 欧拉-伯努利梁弯曲静力方程  35-37
    3.2.1 直梁的支撑形式  35-36
    3.2.2 欧拉-伯努利梁弯曲振动方程  36-37
  3.3 压电悬臂梁弯曲静力方程  37-39
  3.4 铁电悬臂梁弯曲静力方程  39-40
  3.5 压电悬臂梁数值模拟分析  40-42
  3.6 本章小结  42-43
4 力电耦合材料振动台架试验系统  43-53
  4.1 悬臂梁的振动激励  44-47
    4.1.1 激振器  44-45
    4.1.2 功率放大器  45-46
    4.1.3 信号发生器  46-47
    4.1.4 复合悬臂梁  47
  4.2 数据采集  47-48
    4.2.1 位移传感器  47
    4.2.2 电荷放大器  47-48
  4.3 测试系统软件设计  48-52
    4.3.1 Labview 虚拟仪器介绍  48-49
    4.3.2 基于Labview 的数据采集系统软件设计  49-52
  4.4 本章小结  52-53
5 力电耦合材料振动能量捕获实验分析  53-59
  5.1 铁电悬臂梁振动能量捕获实验分析  53-55
  5.2 压电悬臂梁振动能量捕获实验分析  55-58
  5.3 铁电悬臂梁与压电悬臂梁振动能量捕获对比分析  58
  5.4 本章小结  58-59
6 总结与展望  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-66
附录作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目  66
  攻读硕士学位期间发表的学术论文  66
  攻读硕士学位期间参加的科研项目  66
  攻读硕士期间专利成果  66

基于力电耦合材料振动能量捕获研究

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