强冲击下PZT-5H压电陶瓷的动力响应及电输出特性研究

强冲击下PZT-5H压电陶瓷的动力响应及电输出特性研究唐恩凌;刘美;许迎亮;李月;王睿智;韩雅菲;王利;相升海;李振波;高国文;林晓初

【摘要】为了揭示冲击压力对PZT-5H压电陶瓷电输出特性的影响,利用自行建立的聚偏氟乙烯冲击压力测试系统和压电陶瓷电输出性能测试系统,以一级轻气炮作为加载手段,开展了柱状铝合金弹丸分别以195 m/s、487 m/s、532 m/s和613 m/s的速度垂直撞击复合靶板(钢片-压电陶瓷-有机玻璃)的实验.利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进行弹靶碰撞的有限元分析,分析了不同速度下PZT-5H的冲击压力时程.根据实验系统建立了弹靶接触时应力波传播的简化模型,并通过模型计算出复合结构中PZT-5H压电陶瓷承受的冲击压力峰值.运用实验得到的冲击压力时程、压电陶瓷输出电压时程和储能电容充电电压时程,分析了不同峰值压力脉冲作用下PZT-5H压电陶瓷电输出特性的变化规律.研究结果表明:冲击压力峰值的计算结果与仿真结果、实验测量结果趋势吻合;冲击压力峰值在200 ～ 700MPa范围内时,PZT-5H压电陶瓷输出电压峰值随着冲击应力峰值的增加而增大,且近似呈线性关系;在高速撞击PZT-5H压电陶瓷过程中动能与电能的能量转化效率较低,当储能电容量与PZT-5H压电陶瓷电容量比值为5.9∶1时,压电陶瓷的能量转化率为1.1％.%The test systems for impact pressure of polyvinylidene fluoride (PVDF) and electrical output characteristics of piezoelectric ceramics were built to study the influence of impact pressure on the electrical output characteristics of PZT-5H piezoelectric ceramics.The one-stage light gas gun is used as a loading means,and the experiments of which the cylindrical aluminum alloy projectiles vertically impact an composite target plate (steel sheet-piezoelectric ceramic-plexiglass) at the speeds of 195

m/s,487 m/s,532 m/s and 613 m/s are conducted.The projectile impact on

target is analyzed by using ANSYS/LSDYNA.The time histories of shock pressure of PZT-5H at the different speeds are analyzed.A simplified model of stress wave propagation is established based on the experimental system,and the pressure peak of PZT-5H in the composite structure is calculated by the proposed model.The change rules of PZT-5H piezoelectric ceramics under different peak pressure are analyzed from the time histories of shock pressure,output voltage of piezoelectric ceramics,and charging voltage of energy-storing capacitance.The research results show that the calculated impact pressure peaks are consistent with the simulated and experimental results;the output voltage peak of PZT-5H piezoelectric ceramics rises with the increase in impact pressure peak in the range of pressure peak of 200-700 MPa;the conversion efficiencies of kinetic and electric energies are low when PZT-5H piezoelectric ceramics is impacted by high-speed projectile.As the ratio of energy storage capacity to piezoelectric ceramic capacitance is 5.9∶ 1,the energy conversion rate of piezoelectric ceramics is 1.1％ compared to the primary kinetic energy of projectile.

【期刊名称】《兵工学报》

【年(卷),期】2018(039)005

【总页数】8页(P983-990)

【关键词】PZT-5H压电陶瓷;高速碰撞;冲击压力;电输出特性

【作者】唐恩凌;刘美;许迎亮;李月;王睿智;韩雅菲;王利;相升海;李振波;高国文;林晓初

【作者单位】沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159;沈阳理工大学装备工程学院,辽宁沈阳 110159

【正文语种】中文

【中图分类】TJ430.3+5

0 引言

近年来，随着自供能技术的发展，压电材料在医疗、军事、航天等众多领域中得到了广泛应用。压电材料是一种受到外界压力作用时可瞬间激活的可蓄能压电电源[1-2]。Altgilbers[3]通过实验证明了当对压电材料施加几兆帕至几十吉帕的压力作用时，可在几微秒内释放电荷并产生高电压，基于此实验研制的爆电换能器在军事、工业、科技等领域得到广泛应用。2006年，Pinkson等[4]在2.34 m高处释放11.8 kg的落锤，并自由下落撞击压电陶瓷叠堆，实验结果表明，冲击压力达到41 kN时压电陶瓷可得到1.5 kV的瞬时电压。2010年，Bolyard等[5]通过数值模拟和实验结果，得到了铁电体冲击放电的输出电压与冲击压力的拟合曲线。2013年，张攀等[6]利用去极化放电模型对不同冲击压力下的铁电陶瓷进行数值模