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精密机械仿生热稳定构件研究

作　者: 杜设亮
导　师: 陈子辰
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 仿生热稳定构件热压电耦合效应压电特性压电变换器压电传感器压电致动器主动构件有限元法压电元件优化配置模态控制鲁棒性精密机械热动态监控
分类号: TH703
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

本文以仿生热稳定构件的工作机理为研究主线，结合国家自然科学基金项目—“精密加工设备仿生热鲁棒构件的研究”（No.59805018），积极吸收相关学科的新思想、新技术，系统地研究压电仿生智能结构及其在工程领域的应用，改善压电智能结构控制性能，并将其引入精密机械热变形控制研究领域。从理论和基础技术两方面入手，对压电材料的特性、仿生热稳定构件的设计方法及其应用进行深入系统的研究。 1．分析热压电耦合场的作用机理，建立热压电弹性介质理论和基本方程。从力学、电学和热力学的基本原理出发，推导出热压电弹性介质耦合的基本方程。从压电热弹性介质的本构关系出发，推导出非线性的压电热弹性介质本构关系和控制方程组，建立压电智能控制系统力-热-电等交叉耦合动力学模型。 2．研究智能压电材料特性与组份、制作工艺等之间的内在联系。分析压电材料的工作机理，并对典型的压电材料的主要压电性能进行分析研究。在此基础上对压电材料的制备工艺进行探讨，由PbZrO₃-PbTiO₃（PZT）固溶体相图的特点，分析压电材料压电性能与其组成之间的联系。研究压电材料压电常数、机电耦合系数、机械品质因数等特性与其组份、颗粒直径及制作工艺过程之间的关系。研制出用于仿生热稳定构件中的新型压电材料PZT-5，并分析其压电特性， 3．根据仿生热稳定构件的压电变换器的工作特性，提出各种压电变换器的数学模型，建立压电变换器的理论模型。分析压电致动器重要参数等因素对压电变换器转换效率的影响，并进行模型的仿真计算，验证了模型的正确性。 4．研究仿生热稳定构件的压电主动构件的工作机理。基于压电材料的压电致动效应，讨论压电主动构件的设计理论，参数选取及其对压电主动构件性能的影响。设计制造一种可用于智能结构热动态控制的新型压电主动构件，并通过实验研究其工作性能：输出位移、输出力特性与各种影响因素之间的关系。 5．研究仿生热稳定构件的传感器优化配置及模态控制问题。利用准静态热压电本构关系，得到热压电仿生结构的有限元动态耦合模型，讨论各耦合因素对热压电结构传感特性的影响。利用有限元法对受温度场作用的仿生热稳定构件进行仿真研究，以确定压电传感器在仿生结构的最佳布置。提出分布压电单元的状态控制法设计压电模态传感器与模态致动器，以提高压电智能系统的可控性和可观性，并对压电智能结构进行模态控制。 6．研究仿生热稳定构件的致动器放置优化的问题。根据热压电介质的有限元动力学方程分析致动器的工作机理。利用有限元法分析仿生热稳定构件的热应力和热变形以确定致动器的最优放置。同时提出目标函数评价系统的可控性来研究致动器的放置，并用实例分析热压电致动器的位置和数目对系统可控度的影响。 7．以仿生热稳定构件设计的高速电主轴模型为对象，研制基于工业PC为核心的热动态智能监控系统，进行相应的软硬件系统开发。在此基础上进行模拟电主轴热动态控制实验谆士学B沦丈全文扫要研究，实验证明本文的理论分析和数值计算的正确性。最后，总结本论文研究工作的主要结论，并探讨了未来压电仿生结构智能控制系统及其应用的研究重点和发展方向。

全文目录

全文摘要  4-6
英文摘要  6-9
致谢  9-13
主要符号表  13-15
第一章绪论  15-23
  §1．1 精密机械热变形控制的重要意义  15-16
  §1．2 国内外精密机械热态精度控制研究现状  16-17
  §1．3 仿生智能结构发展动态  17-21
  §1．4 仿生智能结构在精密机械热变形控制中的应用  21-22
  §1．5 博士学位论文的主要研究内容  22-23
第二章热压电弹性介质基本理论研究  23-38
  §2．1 引言  23
  §2．2 热压电弹性基本方程  23-31
    §2．2．1 热压电介质基本方程  23-28
    §2．2．2 横向同性热压电介质本构关系  28-29
    §2．2．3 热压电弹性介质的控制方程  29-31
  §2．3 广义线性热压电弹性理论  31-37
    §2．3．1 热压电弹性非线性理论方程  31-33
    §2．3．2 热压电弹性介质线性理论方程组  33-34
    §2．3．3 压电介质能量守恒方程  34-35
    §2．3．4 广义热压电弹性介质控制方程解的唯一性  35-37
  §2．4 本章小结  37-38
第三章仿生热稳定构件压电材料特性研究  38-53
  §3．1 引言  38-39
  §3．2 压电介质的压电性  39-41
    §3．2．1 压电效应的基本概念  39-40
    §3．2．2 晶体压电性产生机理  40-41
  §3．3 压电材料及其特性分析  41-52
    §3．3．1 压电材料  41-43
    §3．3．2 压电材料制备工艺  43-48
    §3．3．3 压电材料特性研究  48-52
  §3．4 本章小结  52-53
第四章仿生热稳定构件压电变换器的研究  53-63
  §4．1 引言  53
  §4．2 压电变换器的理论建模研究  53-60
    §4．2．1 动态有限元法  53-58
    §4．2．2 阻抗建模分析法  58-60
  §4．3 机电转化率及其影响因素  60-62
  §4．4 本章小结  62-63
第五章仿生热稳定压电主动构件的研究  63-73
  §5．1 引言  63
  §5．2 压电堆工作机理  63-65
  §5．3 压电主动构件性能的影响因素  65-69
    §5．3．1 压电堆的物理参数  65
    §5．3．2 压电片连接层影响因素  65-66
    §5．3．3 预压弹簧刚度的影响  66-67
    §5．3．4 压电堆等效电容  67-69
  §5．4 压电主动构件结构设计  69-70
  §5．5 压电主动构件特性测试  70-72
  §5．6 本章小结  72-73
第六章仿生热稳定构件的传感器配置及其模态控制  73-87
  §6．1 引言  73-74
  §6．2 热压电介质有限元模型的建立及分析  74-77
  §6．3 仿真计算及传感器布置  77-79
    §6．3．1 仿生热稳定构件工作机理  77
    §6．3．2 传感器的布置原则  77
    §6．3．3 仿真计算及结果分析  77-79
  §6．4 智能结构模态控制  79-86
    §6．4．1 压电智能板的基本方程  79-80
    §6．4．2 压电模态传感器的设计  80-82
    §6．4．3 压电模态致动器的设计  82-84
    §6．4．4 压电智能板的模态控制  84-85
    §6．4．5 仿真算例  85-86
  §6．5 本章小结  86-87
第七章仿生热稳定构件的致动器优化配置  87-96
  §7．1 引言  87
  §7．2 热压电介质动力学模型  87-89
  §7．3 有限元计算及结果分析  89-90
  §7．4 可控度和致动器优化配置  90-94
    §7．4．1 可控性  90-92
    §7．4．2 可控度  92-93
    §7．4．3 仿真算例与结论  93-94
  §7．5 本章小结  94-96
第八章精密机械仿生热稳定构件实验研究  96-104
  §8．1 精密机械仿生热稳定构件实验系统总体设计  96-97
  §8．2 精密机械仿生热稳定构件实验系统硬软件设计  97-100
    §8．2．1 精密机械仿生热稳定构件实验系统硬件设计  97-98
    §8．2．2 精密机械仿生热稳定构件实验系统软件设计  98-100
  §8．3 精密机械仿生热稳定构件实验系统分析  100
  §8．4 模拟电主轴仿生热稳定实验研究  100-103
    §8．4．1 热源强度相同、工作电压不同时热变形实验  100-101
    §8．4．2 工作电压相同、热源强度不同时热变形实验  101-103
  §8．5 本章小结  103-104
第九章结论与展望  104-107
  §9．1 主要结论  104-105
  §9．2 展望  105-107
参考文献  107-120
附录A 照片资料  120-121
攻读博士学位期间发表或录用的学术论文  121-122

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