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有限元法与阻抗法分析压电智能梁的传感与激励

尹潇然  李国清  徐巍  缪幸圆  
【摘要】:压电智能结构是通过压电材料的力电转换特征来实现结构控制,因此,关于压电智能结构的设计和分析必然涉及到机械系统与电路系统的相互作用。本文首先根据机械系统与电路系统具有数学相似的控制方程这一特征,建立了机械系统与电路系统的等效关系。然后将压电智能梁系统的电阻抗等效为一端作用激励力的弹簧振子系统的机械阻抗,即将电阻抗拆分并与弹簧振子系统中阻尼、质量以及弹簧刚度等各项参数一一对应,进而利用通用有限元软件中的阻抗和质量单元模拟智能梁系统的电阻抗,从而得到一种计算压电智能梁系统阻抗的方法。本文采用有限元方法结合解析的阻抗分析方法,研究压电智能梁的传感与激励问题。以一个带有压电柱的悬臂梁作为数值算例,分别分析了压电柱作为激励器或传感器使用情况下系统的动力响应,获得了与已有结果相一致的频率响应曲线,从而将外电路电阻抗纳入到以机械阻抗单元建立的有限元模型中。对比压电激励和传感条件下的有限元结果表明:外电路阻抗对结构系统的频率特性影响较小,而对于系统电响应的幅值有较大的影响。本文给出了一种将连接压电激励器或传感器外电路的电学参数纳入到有限元模型的方法。

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