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I-III型压电陶瓷复合材料动态有限元分析
  • 时间: 2016-12-10
  • 作者: rootfea
  • 文章来源: 原创

1965年“有限元”这个名词第一次出现,到今天有限元在工程上得到了广泛的应用,已经经历了三十多年的发展历史。随着科学技术的发展,线性理论已经远远不能满足设计的要求,许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决,必须进行非线性分析求解,例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变(几何非线性)和塑性(材料非线性);而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需要考虑材料的塑性、蠕变效应时,则必须考虑材料的非线性。众所周知,非线性问题的求解是很复杂的,它不仅涉及到很多专门的数学问题,还必须掌握一定的理论知识和求解技巧,故而学习起来也较为困难。


有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元),就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。


那么,如何利用有限元分析技术研究I-III型压电陶瓷复合材料动态的特性呢?


首先,压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下,引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化,导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作,具有敏感的特性,压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等,除了用于高科技领域,它更多的是在日常生活中为人们服务,为人们创造更美好的生活而努力。它的优势是在于低电阻抗、高机电耦合系数。


在交流电(AC)的条件下,利用有限元分析技术对I-III型压电陶瓷复合材料的动态特性进行分析,建立合适的有限元模型。


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其次,利用有限元仿真实验分析、计算、验证,能够比实验更加快速、便捷、准确地得到真实的动态响应和机电耦合效应,并得到影响压电复合材料电阻抗和相位角变化的主要参数,从而掌握I-III型压电陶瓷复合材料的动态特性。


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谐波电压


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谐波位移


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一阶模态阵型图


这样一来,不仅能够缩短得到数据的时间,减少实验的经费。还能够为设计人员、研发人员或者是行业相关人员提供参考数据,增加设计功能。通过借助计算机分析计算,来确保产品设计的合理性和减少设计成本,从而缩短设计和分析的循环周期,加快产品的设计进度。

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