為了解決壓電結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程應(yīng)用中受到空氣濕度影響的問題,基于壓電材料的本構(gòu)方程、幾何方程和平衡方程提出了力電濕多物理場(chǎng)耦合Cell-based光滑有限元模型.建立了一種新型壓電俘能器,并對(duì)其簡(jiǎn)化模型的靜力學(xué)性能進(jìn)行求解,對(duì)比了不同濕度變化對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響.與有限元法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,Cell-based光滑有限元法采用較少的網(wǎng)格就能夠達(dá)到與有限元法采用較多的網(wǎng)格相同的精度,驗(yàn)證了本方法的正確性和有效性.研究發(fā)現(xiàn),較小的濕度變化給結(jié)構(gòu)的廣義位移帶來了較大的影響.壓電結(jié)構(gòu)在潮濕環(huán)境下的性能研究為復(fù)合材料產(chǎn)品化過程提供了理論依據(jù). 

【文章來源】：東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,41(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

AB邊廣義位移

懸臂梁由PZT-4構(gòu)成，幾何尺寸如圖1所示，沿y軸方向極化．材料參數(shù)在表1中給出．邊界條件設(shè)定為x=-15 mm處ux=0,uy=0，Φ=0，濕度變化為Δm=0.4%．結(jié)構(gòu)處于平面應(yīng)變狀態(tài)，將CS-FEM和FEM計(jì)算的x和y方向位移及電勢(shì)(廣義位移)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比．圖2給出了懸臂梁上邊采用兩種計(jì)算方法在網(wǎng)格劃分為30×4,60×8和120×16時(shí)的廣義位移解．CS-FEM的解與傳統(tǒng)FEM的解吻合良好，由此看出該方法的正確性和有效性;隨著網(wǎng)格數(shù)量增加計(jì)算結(jié)果基本相同，由此驗(yàn)證該方法的收斂性．表2給出了不同網(wǎng)格下兩種方法的計(jì)算時(shí)間，在采用相同網(wǎng)格數(shù)時(shí)兩種方法的計(jì)算時(shí)間大致相同，但隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，CS-FEM的計(jì)算時(shí)間逐漸小于FEM，由此驗(yàn)證了算法的高效性．

壓電俘能器由PZT-4和鋼材組成，簡(jiǎn)化模型見圖3．鋼的彈性模量E=2.1 GPa，泊松比υ=0.3，在x=0處ux=0,uy=0，Φ=0，網(wǎng)格大小為0.001 mm×0.001 mm，比較廣義位移在不同的水分濃度下的變化情況．圖4和圖5給出了由CS-FEM和FEM計(jì)算，濕度變化為Δm=0.4%,0.5%和0.7%的俘能器AB和BC邊的廣義位移結(jié)果圖．CS-FEM的解與FEM的解吻合良好，隨著Δm的升高廣義位移的相對(duì)變化也隨之增大，并且在結(jié)構(gòu)的自由端獲得了廣義位移的最大相對(duì)變化量．濕度變化Δm=0.7%時(shí)獲得了結(jié)構(gòu)整體的最大廣義位移值．圖3 壓電俘能器簡(jiǎn)化模型


本文編號(hào)：3373848