疊加式壓電陶瓷智能骨料特性仿真研究

周明樂，李友榮，魯光濤，王 濤，宋鋼兵

(1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081； 2.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430081； 3.休斯頓大學智能材料與結構實驗室，美國 休斯頓，TX 77204)

2007年，Song等[1]創造性地提出將壓電陶瓷封裝到水泥結構中組成一種新型的壓電陶瓷傳感器——智能骨料(smart aggregate, SA)，將其預埋到被監測的混凝土結構中，在一定程度上可以克服壓電陶瓷質地較脆的缺點，延長壓電陶瓷的在役時間。針對上述第一代智能骨料在固化過程中易產生裂紋、無法施加預緊力等問題，Wang等[2]又開發設計了采用大理石替代水泥保護層的第二代智能骨料。為了掌握智能骨料的機電輸出特性，研究人員重點對智能骨料的關鍵部分——壓電陶瓷的基本特性進行了深入探討，其中往往將壓電陶瓷結構的運動簡化為單一的軸向振動。Piao等[3-4]采用理論分析與仿真相結合的方法研究了圓形壓電陶瓷徑向和軸向的振動特性，結果顯示其徑向為低頻振動、軸向為高頻振動，當結構模型軸向厚度達到一定程度后，徑向振動可以被忽略。Wang等[5]推導出圓形壓電陶瓷疊加結構的軸向振動模型并分析了疊加型壓電陶瓷整體輸出性能，證明了當多片壓電陶瓷疊加時，其片與片之間的軸向間隔控制在某一個范圍內可以使整體結構有更好的電壓或位移輸出。Han等[6]建立了雙片壓電陶瓷智能骨料的理論模型并重點研究了該智能骨料的諧振頻率及其影響因素。……