1-1型OPCM元件的驱动特性研究

摘要

超声波检测作为一种较成熟的无损检测技术,能够在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下对工程结构中的损伤进行检测,该技术具有可检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害,能对缺陷进行定位和定量等突出优点,在工程实践中有着极为重要的应用价值。应力波驱动器作为超声波探伤的关键部件,其性能的优劣对超声探伤结果有着重要影响。传统的压电驱动元件采用单一压电陶瓷材料,具有韧性差,压电驱动变形量不足等缺点。与传统的压电陶瓷(包括单晶)相比,压电复合材料具有良好的柔顺性和机械加工性能,克服了单一压电陶瓷易碎和难以加工成大平面薄片或复杂形状等缺点；为了获得性能更加优良的驱动元件,本文在压电复合材料研究的基础上,采用1-1型正交异性压电复合材料(Orthotropic PiezoelectricComposite Materials,OPCM)制备了一种新型驱动元件。由于其自身独特的结构设计以及兼具压电复合材料的优点,1-1型OPCM驱动元件抗冲击性强,且压电驱动变形量优于普通压电元件。它所具有独特的横观正交各向异性特点,使得它可以聚集特定方向区域内特征信号的能量,在特定方向产生定向应力波,从而避免多余的信号干扰,提高结构损伤的定位精度。
　　 本文从压电材料基本理论出发,对1-1型OPCM驱动元件的驱动原理及正交异性进行了理论分析,为元件的制备以及进一步研究打下了理论基础。运用有限单元法对1-1型OPCM驱动元件的谐振频率以及正交异性进行了建模仿真分析,对研制的1-1型OPCM驱动元件进行了实验研究,验证其驱动特性。实验与仿真结果一致,证明该驱动元件在横观正交方向上具有不同的压电特性,且正交异性比较高。本文的研究工作可为优化制备工艺以及压电复合材料的进一步探索的提供参考。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究意义

1.3 压电复合材料的基本概念

1.4 压电复合材料的研究现状及进展

1.5 本文研究的主要内容

第二章 基本理论

2.1 压电基本理论

2.1.1 压电效应

2.1.2 压电振子的边界条件

2.1.3 四类边界条件对应的压电方程

2.1.4 各压电性能表征常数的关系

2.1.5 压电复合材料的本构方程

2.2 压电材料常用振动模的电路状态方程

2.2.1 电场垂直于长度的长度伸缩晶片

2.2.2 电场平行于波传播方向的厚度剪切晶片

2.2.3 电场平行于长度的长度伸缩晶片

2.3 超声波基本理论

2.3.1 超声波的分类

2.3.2 超声场的特征值

2.3.3 超声波的衰减

2.4 OPCM驱动元件结构设计以及正交异性理论分析

2.4.1 OPCM驱动元件结构设计

2.4.2 OPCM驱动元件正交异性理论分析

2.5 本章小结

第三章 OPCM超声换能器有限元仿真分析

3.1 有限元基本理论

3.1.1 有限元法概述

3.1.2 有限元法理论基础

3.1.3 压电换能器的有限元方程建立

3.1.4 仿真分析一般步骤

3.2 基于COMSOL仿真软件的OPCM元件仿真分析

3.2.1 模型建立及物理属性设置

3.2.2 模型网格划分

3.2.3 谐振频率仿真

3.2.4 正交异性仿真研究

3.3 本章小结

第四章 OPCM驱动元件的制备及实验研究

4.1 OPCM驱动元件制备

4.1.1 压电复合材料设计原则

4.1.2 材料选择

4.1.3 制备过程

4.2 OPCM元件驱动特性实验研究

4.2.1 驱动元件有效性试验研究

4.2.2 驱动元件动态特性实验研究

4.2.3 驱动元件的衰减特性实验研究

4.2.4 驱动元件正交异性实验研究

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录

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