新型压电陶瓷驱动器的特性分析王社良

效应，即通过对压 电 陶 瓷 （ＰＺＴ）施 加 外 部 电 场，将 输 入 的 电
能转换成机械能 以 改 变 结 构 阻 尼、刚 度 等 特 性，从 而 对 结 构
进行有效控制 。 ［２］
压电效应反映了晶体弹性与介电性 之 间 的 耦 合 作 用，而
压电材料力电耦合的本构关系则反映了压电材料将机械能
与电能进行相互转换时的数量关系。假设Байду номын сангаас用的材料为线
性 压 电 材 料 ，则 其 本 构 关 系 的 表 达 式 为 ：
εｉ ＝ｓｉＥｕσｕ ＋ｄｉｊＥｉ
（１）
Ｄｉ ＝ｄｉｕσｕ ＋∈ｉσｊＥｊ
（２）
式 中：εｉ 为应变；ｓｉＥｕ 为电场强度为Ｅ 时的短路弹性柔顺系数，
ｍ２／Ｎ；σｕ 为 应 力；Ｄｉ 为 电 位 移；ｄｉｊ 和ｄｉｕ 为 压 电 应 变 常 数， ｍ／Ｖ；Ｅｉ 和Ｅｊ 为电场强度；∈ｉσｊ 为 当 应 力 为 常 数 时 的 介 电 系 数，Ｆ／ｍ。式（１）和式（２）表 明 压 电 材 料 的 应 变 和 电 位 移 均 是
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｔａｃｋ－ｔｙｐｅ，ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ，ａｃｔｕａｔｏｒ，ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ＡＮＳＹＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ
０ 引 言
传统的被动耗能阻尼器作为一种被动 控 制 装 置，它 不 能 根据结构的用途、荷载情况和结构的响应而实时 地 改 变 结 构 自身的特性，因而在应用上有很大的局限性 。 ［１］ 若将 智 能 材 料如形状记忆合金、压电高分子材料、光导 纤 维、压 电 陶 瓷 等 与 被 动 耗 能 系 统 相 结 合 ，使 其 具 有 智 能 特 性 ，则 能 克 服 传 统 被动耗能系统的 缺 点，极 大 地 改 善 被 动 耗 能 阻 尼 器 的 性 能， 从而达到对结构进行智能控制的目的。因此本研究针对智 能材料自适应技 术，讨 论 了 一 种 新 型 的 压 电 驱 动 结 构，并 进 行 了 仿 真 分 析 ，为 智 能 摩 擦 阻 尼 器 的 设 计 提 供 参 考 。
＊国家自然科学基金重大研究计划面上项目（９０７１５００３）；国 家 自 然 科 学 基 金（５１１７８３８８；１０９７２１６８）；教 育 部 科 学 技 术 研 究 重 点 项 目（２０９１２４）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金（２００８０７０３０００２）；陕西 省 自 然 科 学 基 础 研 究 基 金 （２００７Ｅ２０５）；陕 西 省 重 点 实 验室项目（０８ＪＺ３５）；国家重点实验室开放项目（０８ＫＦ０２）；陕西省 教 育 厅 重 点 实 验 室 科 研 计 划 项 目 （０９ＪＳ０２２）；陕 西 省 教 育 厅 重 点 实 验 室 访 问 学 者 项 目 （０９ＪＳ０２３；０９ＪＳ０２４）；陕 西 省 社 发 攻 关 项 目 （２０１０Ｋ０１－１２７） 王社良：男，１９５７ 年 生，教 授，博 导，主 要 从 事 工 程 结 构 抗 震 及 新 型 智 能 材 料 研 究 刘 敏：女，１９８６ 年 生，硕 士 Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕ－ ｍｉｎ３８３０３５９＠１６３．ｃｏｍ
关 键 词 叠堆型 压电陶瓷 驱动器 耦合 ＡＮＳＹＳ有限元软件 中 图 分 类 号 ：ＴＢ３８１ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｅｒａｍｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ
ＷＡＮＧ Ｓｈｅｌｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｍｉｎ，ＦＡＮ Ｙｕｊｉａｎｇ
新 型 压 电 陶 瓷 驱 动 器 的 特 性 分 析／王 社 良 等
· １５３ ·
新型压电陶瓷驱动器的特性分析＊
王 社 良 ，刘 敏 ，樊 禹 江
（西安建筑科技大学土木工程学院，西安 ７１００５５）
摘要 讨论了一种基于压电陶瓷的新型叠堆驱动器，并阐述了其工作原理，推导出该驱动 器 的 力 学 性 能 公 式。 基于压电陶瓷材料的机电耦合特性，运用 ＡＮＳＹＳ 有限元软件对此驱动器进行了数 值 分 析，研 究 了 其 驱 动 性 能，分 析 结果表明，其输出位移和输出力均与输入电压呈线性关系，在较低电压下可获得较大变形量，且具 有 良 好 的 动 态 响 应 特性。该叠堆压电驱动器结构简单、尺寸小、成本低，通过输 入 电 压 即 可 实 现 位 移 控 制 ，可 作 为 较 好 的 自 适 应 控 制 驱 动器应用于智能摩擦阻尼器的驱动装置。
１ 叠 堆 型 压 电 驱 动 器 的 工 作 原 理
１．１ 压 电 材 料 的 压 电 效 应 及 其 本 构 关 系 压电材料是一种特殊的弹性体，除了 具 备 普 通 介 质 材 料
所具备的介 电 性 质 和 弹 性 性 质 外，更 主 要 的 是 具 有 压 电 效
应。利用压电陶瓷材料作为驱动装置主要是利用其逆压电
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５５）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｅｗ ｓｔａｃｋ－ｔｙｐｅ ｏｆ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗｉｔｈ ＰＺＴ ａｓ ａｃｔｕａｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ－ ｔｉｃｓ ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｗｉｔｈ ＡＮＳＹＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅ－ ｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ ｉｔｓ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｆｏｒｃｅ ｓｈｏｗ ａ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ｈａｖｅ ａ ｇｏｏｄ ｄｙ－ ｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｈａｖｅ ａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｖａｌｕｅ，ａｌｓｏ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｓｍａｒｔ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｄａｍｐｅｒｓ．