自供能式磁流变液减震器的结构设计及实验方案设计【含CAD图纸、说明书】
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含CAD图纸、说明书
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机械工程学院本科毕业设计（论文）开题报告题 目压电材料的分析及工程应用实验工作姓 名学号专 业班级指导教师职称填写时间一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况 受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 压电材料大概可以分为三类：第一类是无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。 第二类是有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。 第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用,包括电声换能器,水声换能器和超声换能器等,以及其它传感器和驱动器应用。换能器：换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件。如研究压电聚合物电声器件使其具有特殊电声功能的器件,如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统；研究压电聚合物水声换能器用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等,随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。压电驱动器：压电驱动器利用逆压电效应,将电能转变为机械能或机械运动,聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础,包括利用横向效应和纵向效应两种方式,基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。在潜在国防应用前景的推动下,利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究。除此之外,利用辐照改性共聚物的优异特性,研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用,还需要进行大量的探索。传感器：压电式压力传感器：利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的,所以在连接时要特别注意,避免漏电。压电式压力传感器的优点是具有自生信号,输出信号大,较高的频率响应,体积小,结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆,在受到突然振动或过大压力时,自我恢复较慢。压电式加速度传感器：压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极,并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块,质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓,螺帽对质量块预加载荷,整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去,避免产生假信号输出,所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造,壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。在机器人接近觉中的应用：机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前,获得必要的信息,为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍,则及时采取一定措施,避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。超声波是人耳听见的一种机械波,频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音,振动频率范围只是20HZ20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小,而能成为声波射线并定向传播,机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体,不能测量距离小于30mm的物体。压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。随着现代电子信息技术的飞速发展，对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索成为了各国的研究热点，对于含铅压电陶瓷材料的低温烧结和性能改进以及对不含铅压电陶瓷材料的性能改进成为了重点研究对象。除此之外，应用方面也更加广泛，如将压电陶瓷做成水声换能器用来水下导航、侦查敌舰等，做成的压电引信可以精确引燃引爆破甲弹等杀伤性武器，在精密测量及超声探伤等方面的作用也越来越重要，现代压电陶瓷元器件逐渐向着多层片式化、片式元件集成化、集成元件模拟化和多功能化方向发展。虽然说压电材料的研究和应用发展的很迅速，也取得了很高的成就，但不得不说在压电材料研究和发展的过程中还是有许多问题需要去解决，比如说压电材料的断裂问题，由于压电材料的机电耦合性以及裂纹上的边界复杂性是的解析法难以解释压电材料断裂性问题，因此对于对于功能梯度材料断裂性的研究就成为了一个研究压电材料很必要性的问题，从应用力学观点来看FGM是非均匀固体，其非均匀性对材料的断裂力学性能有很大影响，所以就要研究以下内容：计算分析压电梯度中、外加载荷、切开张口角、切开深度等对切口前缘力场的分布及其应力集中效应的影响；分析梯度压力裂缘板中裂纹位置裂纹深度的变化对裂缘端部场带来的影响；与相应情况下的均匀压电材料和线性梯度压电材料进行对比分析他们之间的异同；根据得到结果和规律，总结一些对材料设计，工程实际具有指导意义的结论。而在这期间需要对材料进行分析，需要对材料在特定情况进行实验，在模拟工程条件下运用材料，然后进行材料改进，材料的对比选择，所以对压电材料的工程应用实验工作有利于改进原有材料在某些方面的性质，增加应用方面，也有利于研究开发性能更好的压电材料，是解决压电材料的研究仍有一些问题，比如说压电材料的平面问题和空间柱体问题的重要手段，运用例如MATLAB软件等能创造良好的模拟环境，能增加实验的可靠性。目前，世界压电材料的研究集中在以下几种 细晶粒压电陶瓷 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是热点。 PbTiO3系压电陶瓷 PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。 压电复合材料 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，正致力于压电复合材料产品的开发。 多元单晶压电体 传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变1.7%，几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。二研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标完成课题的方案和主要措施 研究内容 1 了解和基本掌握压电材料与电、磁变材料的科学知识和研究动态 2 掌握自供能式磁流变减震器结构原理 3 进行自供能式磁流变减震器的结构设计，并运用MATLAB软件实现相关的运动力学仿真 4 认真阅度关于自供能式磁流变减震器的中英文献，并对某一篇做出翻译 预计达到的目标 1 实现对压电材料的一个初步了解，为以后的工作或继续学习打下基础 2 了解自供能式磁流变减震器的结构，对其各部分有一个初步认识和研究，并分析其运行工作原理 3 学习MATLAB软件的基本操作，能运用软件做出对某些机械的运动学仿真，从数据分析和数值计算等方面了解机械运动原理 关键理论和技术 对于压电材料的分析主要了解压电现象出现的原因，而对于自供能式磁流变减震器主要了解磁流变液、减震器、阻尼器等，其次运用MATLAB软件进行技术分析以及通过实验进行研究 技术指标完成课题的方案和主要措施 对于上述的技术指标，我通过上网和书本查阅资料，然后自己分析来了解压电原理，对于自供能式磁流变减震器结构的设计和分析还要向指导老师请教，以及通过实验和运动仿真来深入了解三、主要特色及工作进度 主要特色1压电材料在日常生活中和科学技术中都日益重要2现代压电材料不断向各方面顶尖运用拓展3工程实验研究为更好的利用压电材料开拓道路 进度安排查阅资料，调研 第1-2周开题报告，制定设计方案第3周实验方案（设计）第4-5周模态分析初步等 第6-7周写出初稿，中期检查第8-9周修
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