深海谐振式直线型压电驱动器的设计与实验研究

摘要

海洋因其丰富的矿产资源和生物资源，逐渐成为海洋工程和科学考察的重要对象。然而，深海环境极端恶劣，对深海驱动器的环境适应性、可靠性等提出了很高的要求。现有的深海电机、深水液压系统大多采用压力平衡方案，增加零部件数量、体积和重量，降低可靠性。谐振式压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能的新型驱动器，具有结构简单、设计灵活、低速大力矩(推力)、功率密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁等优点。
　　本文将谐振式压电驱动器以开放状态服役于深海；无需对压电驱动器整体进行隔压密封，而是直接装配在执行机构上，通电激励后产生直线驱动动作;对电气接口部分只需进行简单可靠的静态密封，从而省略耐压舱、动密封环节、压力平衡环节及传动机构。
　　本文中利用平板内的扩张模态，通过不对称激励，设计出一种单一模态的直线型压电驱动器。对该种振动模式的驱动原理进行了分析，并建立了压电振子的等效电学模型。使用有限元方法，对压电振子进行结构优化设计。建立封装前、封装后、浸没在水中三种压电振子的有限元模型，通过模态分析和瞬态分析，研究了封装胶层和水对压电振子振动特性的影响规律。
　　对压电驱动器进行整体结构设计，制作出了实验样机；搭建出了深海高压环境模拟系统；通过阻抗分析仪测试了压电驱动器分别在未封装时、封装后和浸没于水中时的阻抗特性，并对压电驱动器的机电耦合特性进行了研究；最后设计实验方案对处于空气中与水中的压电驱动器的机械特性做了测试。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2 深海驱动器研究现状

1.3 谐振式压电驱动器研究现状

1.4 国内外文献综述分析

1.5 本文的主要研究内容

第2章 深海压电驱动器的工作原理与理论分析

2.1 引言

2.2 深海压电驱动器设计要求分析

2.3 矩形板型压电振子结构与工作原理

2.4 压电振子电学模型

2.5 本章小结

第3章 压电振子振动特性仿真

3.1 引言

3.2 压电驱动器的材料选择

3.3 未封装的压电振子振动特性仿真

3.4 封装后的压电振子振动特性仿真

3.5 水中的压电振子振动特性仿真

3.6 本章小结

第4章 深海压电驱动器整体设计与实验研究

4.1 引言

4.2 压电驱动器样机

4.3 压电驱动器定子振型测试

4.4 压电驱动器定子阻抗特性测试

4.5 压电驱动器机械特性测试

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢