基于压电陶瓷的新型叠堆驱动器的设计与分析

基于压电陶瓷的新型叠堆驱动器的设计与分析

0智能材料的应用传统的被动能源消耗器作为一种被动控制装置，无法根据结构的用途、负荷和结构的响应实时改变结构的特征，对应用有很大的限制。若将智能材料如形状记忆合金、压电高分子材料、光导纤维、压电陶瓷等与被动耗能系统相结合,使其具有智能特性,则能克服传统被动耗能系统的缺点,极大地改善被动耗能阻尼器的性能,从而达到对结构进行智能控制的目的。因此本研究针对智能材料自适应技术,讨论了一种新型的压电驱动结构,并进行了仿真分析,为智能摩擦阻尼器的设计提供参考。1单元堆压器的工作原理1.1材料本构关系的确定压电材料是一种特殊的弹性体,除了具备普通介质材料所具备的介电性质和弹性性质外,更主要的是具有压电效应。利用压电陶瓷材料作为驱动装置主要是利用其逆压电效应,即通过对压电陶瓷(PZT)施加外部电场,将输入的电能转换成机械能以改变结构阻尼、刚度等特性,从而对结构进行有效控制。压电效应反映了晶体弹性与介电性之间的耦合作用,而压电材料力电耦合的本构关系则反映了压电材料将机械能与电能进行相互转换时的数量关系。假设使用的材料为线性压电材料,则其本构关系的表达式为:式中:εi为应变;sEiu为电场强度为E时的短路弹性柔顺系数,m2/N;σu为应力;Di为电位移;dij和diu为压电应变常数,m/V;Ei和Ej为电场强度;∈σij为当应力为常数时的介电系数,F/m。式(1)和式(2)表明压电材料的应变和电位移均是由它承受的应力和电场两部分组成,其中,式(1)反映了压电材料将电能转换为机械能的关系,式(2)则反映了压电材料将机械能转换为电能的关系。1.2压电堆作为采用的变刚度驱动压电片可以作为驱动器使用(如图1所示),但由于压电材料压电应变系数很小,一般仅为(300~700)×10-12m/V,如果仅用1个压电片,即使施加万伏级的电压,其位移对于土木结构而言也是可以忽略不计的。因此为实现在较低电压下获得较大的位移,本研究基于力学串联、电学并联思想提出一种新型的叠堆式驱动器,即采用与极化方向平行的d33效应值,将200片由德国PiezomechanikGmbh公司生产的14mm×14mm×0.10mm的PSt150系列压电陶瓷薄片通过环氧树脂叠合形成压电堆。薄片之间使用交叉指形电极,即在上下表面由1对异性主电极引出一系列异性分支电极,分支的异性电极交叉排列,上下表面具有相同的电极结构并且正负分支电极位置对应,其结构如图2所示。由于各微单元很薄,大大减少了电场的边缘效应,电学上的并联则相对降低了对外加电压的要求,而力学上的串联则提高了输出变形量。采用压电堆作为驱动器时,仅利用压电陶瓷极化方向(3轴)上的应变模型,即一维压电效应模型。假设压电片在极化方向的应变沿厚度t均匀分布,此时,压电堆的压电方程可简化为:式中:ε3为极化方向的应变;SE33为极化方向的短路弹性柔顺系数;d33为极化方向的压电应变系数;E3为极化方向的电场强度。1.3压电堆等效刚度叠堆型压电驱动器在加载电压时能产生电致变形,有效地限制该变形将产生较大驱动力。设各压电片之间的能量损耗为0,则由式(3)可得:式中:δ为压电堆的变形量;F为压电堆极化方向所承受的力;n为叠堆的压电片片数:k=A/(SE33t)为压电片的等效刚度;V为极化方向的电压;ks=k/n、ds=nd33分别为压电堆的等效力学刚度和等效压电常数。由式(4)得到压电堆在零应力状态下的输出位移和零位移状态下的输出力分别为:由式(5)可知:(1)压电堆输出位移与叠堆的压电片数目成正比,当叠堆的压电片数目一定时,输出位移与输入电压成正比;(2)压电堆输出力大小与压电片的截面面积成正比,当压电片规格一定时,输出力与输入电压成正比。2压电耦合分析本研究应用ANSYS12.0对压电堆进行建模。首先在前处理器中定义单元类型、材料属性,建立实体模型并划分网格,如图3所示;然后对模型实施约束,加载电压或力载荷,再求解;最后通过后处理器查看结果。本研究所用陶瓷的形状是长方体,所以选用SOLID5单元进行压电耦合分析。粘结层选用SOLID45单元。粘结层的材料属性如下:杨氏模量E=3.0×109N/m2;密度ρ=1020kg/m3;泊松比μ=0.37。压电片的材料特性参数如下:密度ρ=8000kg/m3,泊松比μ=0.38。2.1anasas输出力测试结果在零应力和零位移的状态下,采用逐级加载的方式对压电堆加载电压,每层压电陶瓷片施加0~150V,每隔25V利用ANSYS计算1次输出位移和输出力,并将计算结果与式(5)计算的理论值进行对比,如表1、表2所示。其电压-位移曲线和电压-输出力曲线分别如图4和图5所示。由图4和图5可知,输入电压与输出位移和输出力均呈良好的线性关系,从而验证了输出位移和输出力与输入电压呈比例关系的结论。ANSYS计算值和理论值十分相近,验证了推导公式的正确性。数值分析结果表明,在150V电压下,PZT输出位移达19.017μm,实现了在较低电压下获得较大的位移输出。2.2短路刚度特性刚度是指结构或器件本身抵抗形变的能力,故刚度特性的分析可通过对驱动器施加一定的外力,求解出其变形的大小即可。通过分别对驱动器施加开路及短路电压约束,可得到其开路刚度特性与短路刚度特性。测量开路刚度时,压电驱动器每层压电陶瓷片的电极不加任何电场载荷;测量短路刚度时,压电驱动器每层压电陶瓷片的2个电极均按接地处理。根据胡克定律求出其刚度,结果如表3所示。由表3可知,叠堆型压电驱动器的短路刚度值比其开路刚度值要小。根据这种刚度特性,在使用过程中应充分利用短路刚度与开路刚度不同的特点。如在预紧过程中,一方面为了减小刚度,实现用较小的力产生适量的变形,另一方面为了控制预紧力,防止因其过大而使得驱动器内部产生的电场过强,将压电陶瓷片击穿引起破坏,可利用短路刚度值较小的特点,将两极短路。2.3瞬态分析动态特性是指驱动器对随时间变化的输入量的响应特性。由于压电体迟滞特性的仿真需要进行ANSYS二次开发,故图6和图7的曲线中不包括迟滞特性影响。设压电驱动器驱动电源为交变正弦信号:U=150sin(2π×104t)V,如图6所示。在ANSYS中将分析类型设为瞬态分析,通过瞬态分析得到压电堆的位移-时程曲线,如图7所示。从图7中可以看出,PZT在单相正弦交变电压作用下输出位移的幅值δ(t)=19.16μm,与直流电压为150V时的静态位移量基本一致,说明在1500V/mm电场下其位移量与频率无明显的依赖关系,并且输出位移的响应曲线是与输入信号频率相同的信号。实际应用中,由于压电驱动器相当于容性元件,存在等效电容,加之其内阻很高,使得充电电流小,响应时间长,从而降低驱动器的动态响应特性,因此,为增大驱动电流以提高驱动器的响应速度,应选用具有较强驱动能力的驱动电源。3叠堆型压电陶瓷实行弹性驱动性能分析本研究阐述了叠堆型压电驱动器的工作原理,并对压电陶瓷进行了力学和电学分析,推导出压电堆的输出位移和输出力的理论计算公式。应用压电陶瓷机电耦合性建立有限元模型,对其进行仿真分析,验证了推导公式的正确性。同时从分析结果可以看出:(1)叠堆型压电陶瓷驱动器的位移输出与输入电压成正比,150V时输出位移达19.017μm,实现了在较低电压下获得较大输出位移;(2)叠堆型压电陶瓷驱动器所产生的驱动力与压电片的截面积成正比;(3)叠堆型压电陶瓷驱动器的开路刚度值大于