声振动压电振子的有限元仿真分析
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声振动压电振子的有限元仿真分析
压电式骨传导耳机的发声部件是压电振子，所以压电振子的性能决定了骨传导耳机的发声特性，本章将对压电振子的特性进行分析。研究已经表明，压电振子的发声响度随着压电振子振幅的增大而增大，所以从理论上讲应该尽量增大压电振子的振动位移。此外，压电振子有共振频率点，当驱动信号的频率正好处于这些频率附近时，会引起共振，振子的振幅会显著增大。由于声音在低频的再现不够充分，所以要尽量降低压电振子的谐振频率，使低频处的振动加强。
压电振子的仿真建模
有限元法是根据能量的极值原理和分割近似原理来求解数学、物理、力学以及工程问题的一种十分有效的数值计算方法。有限元把具有无限个自由度的连续体，理想化为只有有限自由度的单元集合体，只要确定了单元的力学特性，就可以按结构分析的方法求解，使分析过程大为简化，配以计算机工具可以解决很多解析法无法解决的复杂工程问题。
作为声发生元件的压电振子具有双向机一电藕合特性，然而从机一电藕合的角度对其进行的理论分析还很有限。由于藕合效应的影响，大多数工作还只是在特殊情况下进行，而对于一般情况，很难得到显式解，于是工作转向有限元分析。ANSYS能很好地解决压电振子的自由度藕合问题及压电藕合问题，本章将利用有限元分析软件ANSYS，针对矩形悬臂支撑、矩形两端固定支撑、圆形周边固定支撑、圆形中间固定支撑和圆形简支支撑情况下的压电振子进行静力学和模态分析，从而更好地了解支撑方式对压电振子的振动情况和工作性能的影响，并为圆形结构和矩形结构压电式骨传导助听装置压电振子的支撑方式提供制作依据。
由于作为声发生元件的压电振子在力学变形与电学效应方面具有显著的机一电藕合特性，因此压电陶瓷的藕合问题是属于不同物理场的藕合问题。而ANSYS单元库中的SOL工DS单元可用于磁、热、电、压电和结构场之间的三维藕合分析。SOLIDS单元具有八个结点，每个结点有六个自由度。当应用于压电分析时，SOLIDS具有大变形能力，此时其温度和磁场自由度不作计算。所以选择实体单元SOLIDS对压电陶瓷进行网格划分，选择SOLID45对铜基板进行网格划分。
压电振子的建模参数如下:
(1)压电陶瓷参数:密度为7 . S x 103kg/m3、介电常数矩阵(}x 10-9F/m)、压电常数
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(整理)JBT10375-2002焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求
钛及钛合金熔化焊焊接构件的振动时效处理。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。jb/t5925. 2 机械式振动时效装置技术条件 3 术语、符号 3.1 激振点exciting point 振动时效时给构件的施力点称为激振点。 3.2 支撑点support point 为了对构件进行振动时效而选择的支撑构件的位置。 3.3 动应力dynamic stress 激振力引起构件谐振响应时，在其内部产生的应力称为动应力。矢量，符号为σd(幅值)，单位为(mpa)。 3.4 共振resonance 当激振力提供的周期性激振力的频率与系统固有频率接近或相等时，构件的振幅急剧增大的现象为共振。 3.5 振型vibration mode 共振时，构件表面上所有质点振动的包络线（面），即为振型，包括弯曲、扭转、扭曲、钟振型和鼓振型。 3.6 节点（节线）node, node line 振动时效时，构件振幅最小处称为节点（节线）。 3.7 主振频率principal vibration frequency 在激振装置的频率范围内，引起构件谐振响应的频率中，频率低、位移幅大的频率称为主振频率。 3.8 附振频率additional vibration frequency 除主振频率以外的其他频率。
3.9 扫频frequency sweep 固定偏心，将激振力的频率由小调大的过程，称为扫频。 3.10 扫频曲线the curve 随着频率的变化，构件振动响应发生变化，反映振动响应与频率之间的关系曲线称为扫频曲线。如a—f称为振幅—频率曲线，a—f称为加速度—频率曲线；而振动时效装置绘制的是加速度—转速（a—n）曲线。其中：a表示振幅；a表示加速度；f 表示频率；n 表示电机转速。 3.11 时效曲线aging curve 在确定的振动频率和激振力下，对构件进行振动处理所得到的加速度—时间曲线，其标记为a—t。其中：a表示加速度；t表示时间。 3.12 振动焊接vibratory welding 在小激振力作用和亚共振频率下，引起构件微小谐振的同时，进行焊接的工艺操作过程。 3.13 频率分析frequency analysis 用激振器对工件做间隙式施振，获取工件频率分布的过程。 4 振动时效装置的选择 进行焊接构件的振动时效处理时，所使用的振动时效装置应符合jb/t 5925.2的要求，并具备下述功能：—稳速精度可保证控制在+1 r/min以内；—可以在线或最终绘出完整而细密的扫频曲线以及多条加速度时间曲线；—加速度测量系统可以是振动时效装置的附属部分，也可以是一个单独的测量仪。 5 工艺参数选择及技术要求 5.1 参数确定准则一般情况下，振动参数应在针对具体焊接构件的工况条件，分析并判断出构件在激振频率范围内可能出现的振型基础上确定。对重要构件或关键构件，可做实际边界条件下的动应力有限元分析，求解出结
土石坝有限元分析(ANSYS)-渗流分析命令流
土石坝有限元分析（ANSYS）－渗流分析命令流 土石坝渗流分析，采用非饱和土渗流参数，迭代计算浸润线，根据前次计算结果，不断修改单元的渗透系数和浸润逸出点位置，直到满足精度要求。本算例的土石坝体型比较简单.采用非饱和渗流计算.即渗透系数为空隙压力的函数.首先建立一个数据文件PPPP.TXT，存储渗透系数函数关系，如下。第一列为空隙压力值（水头M)，第二列为渗透系数指数，渗透系数等于10^A(M/D)。 ! -10.00 -4.0E+00 ! -9.00 -3.6E+00 ! -8.00 -3.2E+00 ! -7.00 -2.8E+00 ! -6.00 -2.4E+00 ! -5.00 -2.0E+00 ! -4.00 -1.6E+00 ! -3.00 -1.2E+00 ! -2.00 -8.0E-01 ! -1.00 -4.0E-01 ! 0.00 0.0E+00 !土坝顶宽4M，上下游坡比均为1:2，总高12M，底宽52M。上游水深8M，下游无水。 FINISH /CLEAR /TITLE, EARTHDAM SEEPAGE /FILNAME,SEEPAGE5 /PLOPTS,DATE,0 *DIM,TPRE,TABLE,11,1,1,PRESS,KKPE ! 定义水压与渗透系数的关系数组 *TREAD,TPRE,PPPP,TXT ! 读入数组 *DIM,NCON,ARRAY,4 ! 定义数组，用于存贮单元四个节点号 /PREP7 SMRT,OFF ANTYPE,STATIC ! THERMAL ANALYSIS ET,1,PLANE55 MP,KXX,1,1 ! 饱和状态下的渗透系数 MP,KXX,2,1E-4 ! 完全干燥下的渗透系数，假设空隙水压力小于-10M时 K,1,24,12 K,2,24,0 K,3,0,0 K,4,28,12 K,5,28,0 K,6,52,0 L,1,3
生活中的振动_教案1
生活中的振动 【教学目标】 1．知识与技能 （1）知道阻尼振动和无阻尼振动，并能从能量的观点给予说明； （2）知道受迫振动的概念。知道受迫振动的频率等于驱动力的频率，而跟振动物体的固有频率无关； （3）理解共振的概念，知道常见的共振的应用和危害。 2．过程与方法： 3．情感、态度与价值观： 【教学重点】 受迫振动，共振。 【教学难点】 驱动力的频率、固有频率的区别。 【教学过程】 复习提问 注意观察教师的演示实验。教师把弹簧振子的振子向右移动至B点，然后释放，则振子在弹性力作用下，在平衡位置附近持续地沿直线振动起来。重复两次让学生在黑板上画出振动图象的示意图（图1中的Ⅰ）。 再次演示上面的振动，只是让起始位置明显地靠近平衡位置，再让学生在原坐标上画出第二次振子振动的图象（图1中的Ⅱ）。Ⅰ和Ⅱ应同频、同相、振幅不同。
结合图象和振子运动与学生一起分析能量的变化并引入新课。 新课教学 现在以弹簧振子为例讨论一下简谐运动的能量问题。 问提1：振子从B向O运动过程中，它的能量是怎样变化的？（弹性势能减少，动能增加。） 问提2：振子从O向C运动过程中能量如何变化？振子由C向O、又由O向B运动的过程中，能量又是如何变化的？ 问提3：振子在振动过程中总的机械能如何变化？（运用机械能守恒定律，得出在不计阻力作用的情况下，总机械能保持不变。） 1．总机械能守恒 将振子从B点释放后在弹簧弹力（回复力）作用下，振子向左运动，速度加大，弹簧形变（位移）减少，弹簧的弹性势能转化为振子的动能。当回到平衡位置O时，弹簧无形变，弹性势能为零，振子动能达到最大值，这时振子的动能等于它在最大位移处（B点）弹簧的弹性势能，也就是等于系统的总机械能。 在任何一位置上，动能和势能之和保持不变，都等于开始振动时的弹性势能，也就是系统的总机械能。 小结：由于简谐运动中总机械能守恒，所以简谐运动中振幅不变。如果初始时B点与O 点的距离越大，到O点时，振子的动能越大，则系统所具有的机械能越大。相应地，振子的振幅也就越大，因此简谐运动的振幅与能量相对应。 问提4：怎样才能使受阻力的振动物体的振幅不变，而一直振动下去呢？（应不断地向系统补充损耗的机械能，以使振动物体的振幅不变。） 这种振幅不变的振动叫等幅振动。例如：电铃响的时候，铃锤是做等幅振动。电磁打点计时器工作时，打点针是做等幅振动。挂钟的摆是做等幅振动，它们的共同特点是，工作时振动物体不断地受到周期性变化外力的作用。这种周期性变化的外力叫驱动力。 2．受迫振动 在驱动力作用下物体的振动叫受迫振动。例如内燃机气缸中活塞的运动，缝纫机针头的运
振动筛结构强度研究的现状
1999年7月第15卷第3期沈 阳 建 筑 工 程 学 院 学 报Journal of Sheny ang A rch .and Civ .Eng .Inst .Jul . 1999Vol .15,No .3 收稿日期 1998-09-18第一作者:38岁,男,副教授,沈阳建筑工程学院基础部,沈阳,110015.振动筛结构强度研究的现状 王正浩 范改燕 摘 要 介绍振动筛在结构强度方面的研究概况及大型振动筛的发展情况,并 对振动筛的发展方向提出看法. 关键词 振动筛;结构强度;振动强度;有限元; 中图法分类号 T D 452 本文在文献〔1〕的基础上,进一步阐述振动筛结构强度的研究现状. 为提高振动筛性能,强化筛分过程,要求选择较大的振动强度.影响振动强度的因素有振动频率和振幅.目前在国外,有些振动筛的振动频率达1500r /min ,振幅的选择也比以前有了提高,双振幅可达12～14mm .美国有的振动筛振动频率选为800r /min ,双振幅选为16mm .由于频率和振幅的提高,大大强化了筛分过程,有效地提高了振动筛性能.但是,由于筛分过程的强化,影响到振动筛使用寿命,所以振动筛承载能力问题日趋突出.我国振动筛使用寿命一般为3～5年,德国和波兰等国一般为5～8年,美国为5年以上,原苏联规定第一次大修前,使用时间为14000～18000h 〔2〕. 1 大型振动筛的发展 为了提高综合经济效益,较大型的选煤厂、选矿厂、采石厂等的建设项目日益增多,因此,发展较大型振动筛提高处理能力是今后努力的目标之一〔3〕.德国在发展中小型振动筛的基础上,研制了规格为5.5m ×10m ,筛分面积达55m 2的大型振动筛;SCHENCK 公司制造了规格为4m ×8.5m ,筛分面积为34m 2,处理能力达800m 3/h 的振动筛;日本研制的H LW 型号振动筛,最大规格为3.6m ×7.5m ,筛分面积为27m 2.还研制了4m ×9.5m ,面积为38m 2的直线振动筛;美国研制了3.7m ×7.3m ,面积为27m 2的直线振动筛,入料粒度可达1m ,属特 重型振动筛. 〔4〕我国自行设计或引进技术生产制造的不同型号较大型振动筛有: YZ1548圆振动筛,面积为7.25m 2;YK2160圆振动筛,面积为12.6m 2 ,处理能力可达720m 3/h ;YAH 2460圆振动筛(引进美国R ·S 公司技术),面积为14.4m 2,处理能力可达1500t /h ;ZDM 2556圆振动筛,面积为14m 2;DDM2056圆振动筛,面积为11m 2,处理能力可达1100t /h ;USK3.60×6.00圆振动筛(引进德国KHD 公司技术),面积为21.6m 2;DF2160等
理论实验
以压电陶瓷作为实验材料，压电陶瓷-高聚物复合材料作为无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，具有结构简单，不易受电磁干扰，便于加工制作，且结构易于实现小型化、集成化以及便携式的特性。可以根据需要，综合两项材料的优点，制作性能良好的换能器和传感器，最新的技术已制造出压电系数较以往更大的材料，为今后的压电陶瓷的广泛应用奠定了坚实的基础，因此采用压电陶瓷制作的压电式传感器具有较高的灵敏度，更加利于电能的收集与储存，具有良好的市场前景。本“集中负荷压电陶瓷发电装置”是采用压电陶瓷材料这一无机非金属功能陶瓷新材料制作技术，在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，产生正压电效应；在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性、电路设计技术及电力输送技术，利用压电效应，实现机械能和电能互相转换。1电陶瓷发电装置的样机与实验研究实验装置有发电装置，滤波装置，储能装置以及用电装置构成。发电装置由压电振子构成。压电振子有金属片、压电片组成。在金属表面粘贴压电片，分别从金属片和压电片上引出电极由于人走动产生压力，使得压电振子产生形变，进而引起压电层内应变和应力的变化。根据压电陶瓷的压电效应，在压电片表面会产生电荷，从而产生电压。试验中输入为机械能，输出为电能，由于人走动过程中产生的能量不稳定，压电振子输出的电压不是稳定值，所以用稳压和滤波装置进行整流和滤波。此时输出的电压为稳定值，可以用于储备和应用。由于压电振子在每个振动周期产生的能量很小, 且输出为高电压低电流的交流电。在实验中采取压电陶瓷并联的方式，以获取更大的电流在实际应用中, 为了提高整个系统的能量捕获效率, 往往需要在整流电路和存储介质之间加入不同类型的DC- DC降压增流电路, 通过实验验证, 降压增流电路的加入往往可以使整个系统效率提高一倍以上。2实验整体设计2.1电陶瓷所受压力对其发电能力关系研究本次试验，采用直径20mm的压电片作为发电材料，将压电片片作为正极，铜线作为负极，先串联1kΩ的电阻以及发光二极管作为负载，所测电压为负载端电压，实验中，分别以为不同体重的人作为实验对象，对其正常行走时踩压陶瓷产生的电压进行统计和整理，每个实验对象分别进行了100组实验数据的记录，计算出产生电压的平均值和最大值（实验所测得数据皆为输出电压的平均值）。2.2探究发电效能与压电陶瓷片数关系试验中，为探究压电振子的发电效能，制作了一套利用测量电容充电时间估算压电振子发电效率的装置，装置由整流单元，滤波单元，稳压单元，储能单元组成，储能单元由五个规格为2200μF，35V的电容并联组成。利用整流，滤波，稳压单元对压电振子输出的电能进行降压增流处理，输出为稳定的9V电压。以一个体重为65kg的人作为实验对象，在其正常行走情况下分别测得在不同压电陶瓷片数下电容两端达到稳压电压值所需时间，并进行分析。结论：1、压电陶瓷产生的开路电压与其受到的压力有关，且在理想状态下，随着压力的增加，开路电压越大。2、在压力一定的情况下，压电陶瓷装置的发电能力随着片数的增加呈现递增态势。3.本装置可以将人走动时产生的不可利用的机械能转化为可被利用的电能，产生的电能即可直接用于供电，也可用于储备。而且装置简单，极易安装，成本低，利用率高，不但可以应用于步行街，车站等人流流动密集区域，而且可以作为便携式电源对手机等小功率的用电器进行充电。也可以安装在一些机械上，利用其工作时的振动为自身充电。
压电材料发电
压电材料发电 压电材料的晶体结构使其具有正压电效应和逆压电效应,即将机械能转化成电能,和将电能转化为机械能。压电发电正是利用压电陶瓷的正压电效应。在压电发电领域中,电量储存的研究基本局限于以电容作为电量储存媒介的方法上,在国内,尚未发现以可充电电池为压电发电储能媒介的研究。 压电陶瓷发电装置的优点在于结构简单、无污染、能量密度大、易于加工等,尤其适用于各类传感器网络及监测系统。压电陶瓷换能器通过一定的工艺加工可以制成各种电子设备的供电能源,能够使电子设备适应环境进行自供电，提高设备的免维护性。由于这些特点，使得压电陶瓷发电技术的应用逐渐成为研究的热点[1]。 1.惯性自由振动式 曾平等人[2]在总结国外研究者的试验结果基础上，提出了利用小面积压电振子为电能源,给可充电电池充电的研究思想。在他的文章中所研究的压电发电装置中的压电振子由磷青铜基板和一个粘在其表面的矩形压电晶片构成,磷青铜板和压电晶片的厚度分别为0.3m m和0.3mm。 1.1压电发电装置的实验研究系统如下图所示。 压电陶瓷 图1压电发电实验装置 磷青铜板 将压电振子一端基板的露出部分作为固定支撑端,另一端自由,在自由端基板露出部分上端和激振器的激振头接触,形成悬臂梁激振系统。试验时,通过脉
冲信号发生器输出控制信号,激振器振子产生振动,并将振动传递给悬臂支撑的压电振子,使压电振子产生上下弯曲振动,则压电振子上的压电晶片在弯曲变形的作用下,将产生电量。通过示波器可观测到压电振子在上下弯曲振动时产生电信号的变化情况。 1.2充电电池储存电路设计 以充电电池为储存媒介的储存电路,其作用是将来自压电振子的电量,储存到一个镍氢钮扣电池中。为减少其他因素的干扰,电路的组成元件较少。图2为设计研制的以充电电池为储存媒介的储存电路。其基本结构为压电振子(电能发生源)、全桥校正器、储存电容元件、充电电池及连接线路等。 图2镍氢电池充电电路 试验研究时,压电振子在外加振动激励的作用下,产生交流变化的电荷信号,产生的电荷经全桥校正器,收集进入一个大容量的电容中,电容一般大于1 000μF,电池和电容并联,电容将收集来的电量储存入充电电池中。 2.冲击自由式振动[3] 冲击自由振动式，是利用自由振动金属球(或有一定势能的冲击头)撞击压电振子，使之产生弯曲振动，如图3所示。该发电方式能产生瞬间的大电流，产生的电量可以点亮数十个mW级的发光二极管。
振动时效与残余应力
振动时效与残余应力 振动时效是我国上世纪八十年代从国外引进的一种残余应力消除技术,名词译自英语Vｉｂrａｔing StresｓＲelief，即振动应力消除。从力学机理上分析，振动时效消除残余应力的原理是,使工件发生共振或接近共振，其残余应力叠加振动应力大于材料的屈服极限,这样振动时由于材料进入塑性区引起工件上应力重新分布,从而达到消除残余应力的目的。 郑州机械研究所应力测试技术中心，作为国内机械行业最权威的应力测试单位，做了大量的振动时效应力消除试验,得出以下几点结论。 1、对于低水平残余应力工件振动时效效果不理想 对于低水平残余应力工件,比如没有大应力集中的铸件，由于振动时效时材料大部分没有进入塑性区，而在弹性范围内,无论应力如何变化，最终都恢复原始状态,不会消除残余应力,与理论分析相符。 2、残余应力消除效果没有标准规定的指标大 振动时效标准JB/Ｔ5926-200５《振动时效效果评定方法》规定，焊接构件残余应力消除应达30％以上。实际测量表明，这是一种误区,比如，我们对一个1６Mｎ焊接构件进行振动时效应力消除效果测试。振动时效前,测得焊缝附近最大残余应力５００MＰa,振
动时效后测得３00 ＭPa。厂家非常高兴，认为效果非常好,消除达40％,远远大于振动时效标准规定的指标。然而,１6Mn的屈服极限是3０0 ＭPa左右，如果认为材料是理想塑性的，16Ｍn焊接构件上的残余应力都不会大于3０0 MPa,与振动时效后的测量值一样。其实，振动时效前测得的500MPａ是按残余应力弹性理论计算公式计算出来的，而材料进入塑性区时，其实际残余应力肯定小于500 MPa。如果按理想塑性计算,残余应力没有下降,当然这是极端情况，意在说明振动时效的残余应力消除效果不能以弹性理论计算的结果为依据。根据大量试验结果,我们认为,对于焊接构件,振动时效的残余应力消除效果应在1５％左右。 ３、振动时效对消除构件的塑性应变效果非常好 上述例子也说明，虽然振动时效消除残余应力的效果达不到40%，但塑性释放应变确实下降了40%,所以振动时效对消除构件的塑性应变效果非常好。大量试验证明，对于焊接构件，振动时效的塑性应变消除效果达４0%左右,甚至达5０%以上。塑性应变涉及到构件尺寸的稳定性,所以经过振动时效的构件，尺寸稳定性特别好，即以后放置或再加工时构件不再变形。 综上所述,振动时效最适合于对残余应力要求不严但对尺寸稳定性要求较高的焊接构件的残余应力消除。毕竟与热时效相比,振动时效非常节约能源，不需要建大的退火炉,大大节省了经费。所以对残
压电式传感器测振动实验.
实验二十一压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。 二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 1、压电效应： 具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。 压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。 (a) (b) (c) 图21—1 压电效应 2、压电晶片及其等效电路 多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中e a=Q/C a。式中，e a为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；C a为压电晶片的电容。 实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容
压电陶瓷振动的有限元分析ansys
1.1压电材料概述 1.1.1压电效应 1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时 发现：当 沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生变形后， 晶片上相对的两个 表面会出现等量的正负电荷，电荷的密度与施加的力的大小有关， 这种现象称为 压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。 压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。 当对压电陶瓷施加 一个与极化方向平行的压力F ,如图1.1（ a ）所示，陶瓷片将产生压缩变形，片 内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极 上的自由电荷，有一部分被释放，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度 也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 这种由机械效应转 变为电效应的现象就是压电效应。 压电效应包括正压电效应和逆压电效应。 如图 所示： 图1.1压电效应示意图：（a ）正压电效应（b ）负压电效应 正压电效应：当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面 上产生 异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的极化现象称为正压电 效应。 逆压电效应：当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形 变，这 种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。 1.1.2压电陶瓷的诞生与发展 具有压电效应性能的陶瓷称为压电陶瓷， 1942年美国麻省理工学院绝缘 研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电 场方向择优取第一章绪论
向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，使它具有压电效应， 从此诞生了压电陶瓷。钛酸钡（BaTiO s ）陶瓷的发现促进了压电材料的发展， 它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电 性能上也有了大幅度提高。 当今广泛应用的压电陶瓷是PZT，即Pb Zr,Ti O3压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好。它是由美国学者B.贾菲等人于1954年发现的PbZrO3 - PbTiO3二元系固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（BaTiO 3）陶瓷的两倍。此外， 若在PZT的组成中加入Pb Mg - Nb O3后将形成三元系压电陶瓷，这类压电陶瓷的性能更加优越，可适于多种不同的应用领域。 1.2压电材料的应用 自1942年第一个陶瓷型压电材料钛酸钡诞生以来，作为压电陶瓷的应用产品，已遍及人们生活的各个方面?压电材料作为机电耦合的纽带，其应用非常广泛，下面我们来举其中几例： ①声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 ②压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索 姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20 世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。 ③压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶 瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火
振动与压电陶瓷实验
压电陶瓷特性及振动的干涉测量 具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。本实验通过迈克尔逊干涉方法测量压电陶瓷的压电常数及其振动的频率响应特性。 【实验目的】 1．了解压电材料的压电特性； 2．掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移。 3. 测量压电陶瓷的压电常数。 4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。 【实验原理】 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 (1)正压电效应 压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力j T 时，晶体将在X ，Y ，Z 三个方向出现与j T 成正比的极化强度， 即： j mj m T d P =， 式中mj d 称为压电陶瓷的 压电应力常数。 (2)逆压电效应 当给压电晶体施加一电场E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变S ，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系n ni i E d S =，式中ni d 称为压电应变常数 ，对于正和逆压电效应来讲，d 在数值上是相同的。压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质（阻性、感性、容性）不同，对某一特定形状的压电陶瓷元件，在某一频率处（谐振频率），呈现出阻抗最小值，当外电场频率等于谐振频率时，陶瓷片产生机械谐振，振幅最大；而在另一频率处（反谐振频率），呈现出阻抗最大值。
葛洲坝水利枢纽二号船闸叠梁门有限元分析
第31卷 第3期2009年6月三峡大学学报(自然科学版) J of China Three G orges Univ.(Natural Sciences )Vol.31No.3J un.2009 收稿日期:2009203224 基金项目:湖北省教育厅自然科学研究计划重点项目“水轮机重大焊接部件振动时效工艺参数研究” (2004D002)通讯作者:付建科(1958-),男,副教授,硕士生导师,主要研究方向为大型金属结构设计与计算分析、大型金属结构制造技术、残余应力调 控技术. 葛洲坝水利枢纽二号船闸叠梁门有限元分析 付建科1 雷小平1 范万里2 (1.三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;2.安徽省水利水电勘测设计院,合肥 230001) 摘要:针对葛洲坝水利枢纽二号船闸新设计的叠梁门,按照《水利水电工程钢闸门设计规范》,采用 大型有限元软件ANS YS 进行了三维线弹性有限元分析,从强度和刚度方面进行了评价,为该新叠梁门的设计提供了重要的参考依据.关键词:葛洲坝水利枢纽; 叠梁门; 有限元法中图分类号:TU31 文献标识码:A 文章编号:16722948X (2009)0320022203 Finite Element Analysis of Stoplog of N avigation Lock No.2for G ezhouba H ydraulic Project Fu Jianke 1 Lei Xiaoping 1 Fan Wanli 2 (1.College of Mechanical &Material Engineering ,China Three G orges Univ.,Y ichang 443002,China ; 2.Anhui Survey &Design Instit ute of Water Conservancy &Hydropower ,Hefei 230001,China ) Abstract Three 2dimensional linear elastic analysis of t he new stoplog of navigation lock No.2for Gezhouba Hydraulic Project was made wit h ANS YS software according to t he water conservancy and hydropower p ro 2ject design specifications of steel gate.The rationality of design is evaluated from it s intensity and stiff ness ;and t he result s p rovide important reference to t he reformed design of t he stoplogs.K eyw ords Gezhouba Hydraulic Project ; stoplog ; FEM 葛洲坝水利枢纽工程自建成以来已运行近30年,是三峡工程开工前我国最大的一项水电工程.大坝建有3座大型船闸,其中二号船闸是目前世界上少数巨型船闸之一,该船闸上闸首设置有一叠梁门和事故检修门用于上闸首挡水(如图1所示).其中叠梁门为箱形结构(如图2所示). 由于三峡大坝的修建,葛洲坝库容水位发生变化,致使叠梁门处的最低水深下降,影响了船舶的正常行驶,因此需对该叠梁门进行重新设计,将原3m 的高度降为2m.为了确保新设计的叠梁门安全可靠,经济合理,必须对其进行深入细致的分析和计算. 文章采用大型有限元软件ANS YS 分析计算了新叠梁门结构在设计水头下的应力和变形.同时依据《水利水电工程钢闸门设计规范》对新叠梁门结构进 行了传统计算,有限元分析结果与传统计算结果非常吻合,为该叠梁门的设计提供了重要的参考依据. 1 叠梁门有限元模型的建立 1.1 叠梁门基本参数 该叠梁门载荷跨度34.48m ,计算跨度35.00m ,设计水头12.00m ,动力系数1.2.1.2 叠梁门有限元模型单元选择 叠梁门结构在上游水压作用下将发生弯曲、扭转、剪切和拉压组合变形[1],因此建模时根据叠梁门各部位受力、变形和构造特点,将面板、隔板和腹板等处理为板壳单元.
应用PLAXIS有限元程序进行渗流作用下的边坡稳定性分析
收稿日期:2006Ο06Ο19 基金项目:水利部科技创新项目(SCX2003-21) 作者简介:唐晓松(1979Ο),男,江苏海门人,博士研究生,主要从事岩土工程稳定性分析及其数值模拟,(电话)023Ο60914226(电子信箱) hnm97@https://www.360docs.net/doc/4613905207.html, 。 文章编号:1001Ο5485(2006)04Ο0013Ο04 应用PLAXIS 有限元程序进行渗流作用下的 边坡稳定性分析 唐晓松1,郑颖人1,邬爱清2,林成功3 (1.解放军后勤工程学院研究生大队,重庆 400041;2.长江科学院岩基研究所,武汉 430010; 3.重庆大学土木工程学院,重庆 400030) 摘要:为了进行渗流作用下的边坡稳定性分析,必须考虑渗流场与应力场之间的相互耦合作用。目前对渗流作用下边坡稳定性的分析一般都是通过自编程序进行的,通常都是先对渗流进行有限元数值模拟,然后再对边坡采用条分法进行稳定性分析。目前国际上关于渗流作用下边坡稳定性的分析方法发展较快,已经可以采用有限元强度折减法来进行分析计算,尤其是PLAXIS 有限元程序对于这方面有较好的适用性。应用PLAXIS 有限元程序采用有限元强度折减法,进行了渗流作用下的边坡稳定性分析,并用ADINA 和GEO ΟSLOPE 程序进行了验算。关 键 词:渗流作用;稳定性;有限元强度折减法;PLAXIS 有限元程序中图分类号:TV223.4;TV131.4 文献标识码:A 目前国内外针对渗流作用对边坡稳定性的影响 作了大量的研究工作。 汪自力[1]等在饱和Ο非饱和渗流不动网格有限元计算的基础上,寻求用土体单元所受的渗透力代替其周边的孔隙水压力,以达到利用渗流计算时的剖分网格和计算结果,直接连续进行渗流作用下的边坡稳定分析的目的。 罗晓辉[2]对渗流场进行了稳定渗流与非稳定渗流有限元分析,将渗流场的水力作用加到了应力场的分析中,对深基坑开挖过程中渗流场的变化规律以及对应力场产生的影响进行了探讨。 平扬、白世伟等[3]基于比奥固结理论,并将其扩展用于弹塑性分析领域,将渗流场水力作用与应力场耦合,并通过有限单元法进行模拟。 徐则民[4]等论述了渗流场与应力场耦合分析的基本原理及其在斜坡稳定性评价中应用的理论基础和技术路线。 D.V.Griffths [5]研究了浸润面与库水位作用下的边坡稳定性。采用自编程序,应用有限元强度折减法,通过算例计算得到的边坡安全系数与传统方法计算得到的安全系数较好的吻合,但未能显示滑裂面。 本文试图探索应用国际通用程序结合强度折减法分析渗流作用对边坡稳定性的影响。由于PLAXIS 有限元程序在渗流计算方面的强大功能, 并且是通过强度折减法来求解边坡的安全系数的,因此本文采用了PLAXIS 有限元程序。 1 PLAXIS 程序简介 PLAXIS 程序是荷兰开发的岩土工程有限元软 件。该程序界面友好,建模简单,能自动进行网格剖分。用于分析土的本构模型有:线弹性、理想弹塑性模型,软土模型,硬化模型和软土流变模型。此类模型可以模拟施工步骤,进行多步计算。 该程序能够计算两类工程问题,即平面应变问题和轴对称问题,能够模拟包括土体、墙、板、梁结构,各种元素和土体的接触面,锚杆,土工织物,隧道以及桩基础等。PLAXIS 程序能够分析的计算类型有:①变形;②固结;③分级加载;④稳定分析;⑤渗流计算,并且还能考虑低频动荷载的影响。 在使用过程中发现PLAXIS 程序功能比较强大,能模拟比较多的实际工程,同时用户界面友好,使用也比较方便;能自动生成有限元网格,并通过重要部位网格的细分到达比较好的精度;在后处理方面,该程序能在计算过程中动态显示提示信息,利于工程人员在使用过程对计算结果进行监控。 2 有限元模型的建立 利用PLAXIS 程序进行渗流作用下的滑坡稳定 第23卷第4期长 江 科 学 院 院 报 Vol.23No.42006年8月Journal of Yangtze River Scientific R esearch Institute Aug.2006
理正渗流分析软件
第一章 功能概述 渗流分析计算软件主要分析土体中的渗流问题。适用于勘察、设计等单位进行土堤、土坝的渗流分析、闸坝地基的渗流分析、堤防的渗流分析、基坑降水的流场分析等。并可以将流场的数据传递到稳定分析软件，以便分析考虑流场的稳定问题。 ⑴ 渗流的分析方法：公式方法和有限元方法。 ⑵ 公式方法依据《堤防工程设计规范》提供的计算公式。适用于下列情况： 一般稳定渗流计算； 双层地基稳定渗流计算； 水位上升过程中不稳定渗流计算； 水位降落过程中不稳定渗流计算。 ⑶ 有限元方法是依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论――达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝、或土体的渗流分析。但有限元法分析渗流问题是以线性达西定律为基础，因此不适应非线性达西定律的流场分析及不满足达西定律的流场分析。
第二章 快速操作指南 2.1 操作流程 图2.1-1 操作流程 2.2 快速操作指南 2.2.1 选择工作路径 图2.2-1 指定工作路径 注意：此处指定的工作路径是所有岩土模块的工作路径。进入某一计算模块后，还可以通过按钮【选工程】重新指定此模块的工作路径。 2.2.2 计算项目选择
选择渗流计算所采用的方法（有限元分析法与公式法）： 图2.2-2 计算项目选择 2.2.3 增加计算项目 点击【工程操作】菜单中的【增加项目】菜单或“增”按钮来新增一个计算项目。 图2.2-3 增加计算项目界面 2.2.4 编辑原始数据 录入或选择渗流分析所需的各种原始数据，有限元法和公式法交互窗口分别如图2.2-4和2.2-5。
图2.2-4 有限元数据交互对话框 图2.2-5 公式法数据交互对话框 注意： 1. 集中的参数交互界面，即把几乎所有的参数置于一个界面上，操作简单，大大提高了人机交互的效率，这是理正岩土系列软件的一个共性特征。 2. 同时提供了有关参数的即时弹跳说明信息，方便用户理解参数的意义。 2.2.5 计算结果查询
【实验报告】压电式传感器测振动实验报告
压电式传感器测振动实验报告 篇一：压电式传感器实验报告 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。 四、实验步骤： 1、压电传感器装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端 Vo1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。 3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。 4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。 光纤式传感器测量振动实验
一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。 二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。 三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。 四、实训内容与操作步骤 1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。 2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。 3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi 相接，低通输出Vo接到示波器。 4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。 5、将频率档选在6~10Hz左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。保持振动幅度不变，改变振动频率，观察示波器波形及锋-峰值。保持频率振动不变，改变振动幅度，观察示波器波形及锋-峰值。 篇二：实验六压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
JBT10375-2002焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求
JB/T10375-2002焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求 jb/t10375-2002——焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求 焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求 2002-12-27发布2003-4-1实施 1 焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求 1 范围 本标准规定了焊接构件振动时效工艺参数选择、技术要求和振动时效效果的评定方法。 本标准适用于碳素结构钢、低合金钢、不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金熔化焊焊接构件的振动时效处理。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。jb/t5925. 2 机械式振动时效装置技术条件 3 术语、符号 3.1 激振点exciting point 振动时效时给构件的施力点称为激振点。 3.2 支撑点support point 为了对构件进行振动时效而选择的支撑构件的位置。 3.3 动应力dynamic stress 激振力引起构件谐振响应时，在其内部产生的
应力称为动应力。矢量，符号为σd(幅值)，单位为(mpa)。 3.4 共振resonance 当激振力提供的周期性激振力的频率与系统固有频率接近或相等时，构件的振幅急剧增大的现象为共振。 3.5 振型vibration mode 共振时，构件表面上所有质点振动的包络线（面），即为振型，包括弯曲、扭转、扭曲、钟振型和鼓振型。 3.6 节点（节线）node, node line 振动时效时，构件振幅最小处称为节点（节线）。 3.7 主振频率principal vibration frequency 在激振装置的频率范围内，引起构件谐振响应的频率中，频率低、位移幅大的频率称为主振频率。 3.8 附振频率additional vibration frequency 除主振频率以外的其他频率。 3.9 扫频frequency sweep 固定偏心，将激振力的频率由小调大的过程，称为扫频。 3.10 扫频曲线the curve 随着频率的变化，构件振动响应发生变化，反映振动响应与频率之间的关系曲线称为扫频曲线。如a—f称为振幅—频率曲线，a—f称为加速度—频率曲线；而振动时效装置绘制的是加速度—转速（a—n）曲线。其中：a表示振幅；a表示加速度；f 表示频率；n 表示电机转速。 3.11 时效曲线aging curve 在确定的振动频率和激振力下，对构件进行振动处理所得到的加速度—时间曲线，其标记为a—t。其中：a表示加速度；t表示时间。 3.12 振动焊接vibratory welding 在小激振力作用和亚共振频率下，引起构件微小谐振的同时，进行焊接的工艺操作过程。 3.13 频率分析frequency
渗流数值计算的有限单元法
渗流数值计算的有限单元法 渗流问题常用的数值计算方法主要的是有限差分法和有限单元法，其中有限差分法出现较早，随着计算机和计算技术的发展，有限单元法在这一领域的应用日益广泛，并在计算复杂渗流工程问题中占有较大优势，下面简要介绍渗流问题有限单元法的基本概念。 （1）控制方程和边界条件 本章介绍的渗流仅限于饱和土中的渗流，且假定渗流过程中土的孔隙比不变，即土的渗透系数不随时间变化。前面已推导出二维渗流问题的控制方程为 02222=??+??y h k x h k y x （3-64） 渗流问题数值计算的边界条件有两类。第一类边界条件是给定水头边界，这种边界常出现在渗流区域与地表水的连接处。对于这种边界上的所有点，每一时刻水头h 是给定的，即 ),,(),,(1t y x t y x h ?=Γ，1,Γ∈y x ，0>t （3-65） 式中：h －边界1Γ上某点),(y x 在t 时刻的给定水头；?－已知函数。 第二类边界条件是给定水流通量（流入或流出）边界，在这种类型的边界上，单位面积流入（或流出）的通量是已知的，即 ),,(),cos(),cos(2 t y x q y n y h k x n x h k w y w x =????????+??Γ ，2,Γ∈y x ，0>t （3-66） 式中：),cos(x n ,),cos(y n —边界外法线向量与坐标轴正向之间夹角的余弦； ),,(t y x q —t 时刻边界2Γ上某点),(y x 处水流量，为已知函数。 除了上述两类边界条件外，渗流问题的边界条件也可以是混合边界条件，即部分边界上的水头为已知、部分边界上的流量为已知。 （2）泛函和变分 式（3-64）所示微分方程在复杂的边界条件下无法得到解析解，采用数值方法计算时，首先建立h 的泛函，一定边值问题的解就是这个泛函的极小值，这个求解过程就是变分。 对二维渗流情况（图3.18），在x 方向，t d 时间内，外力在单位重量流体上所做的功的增量为 * -=x x x h q dA d d （3-67） 其中，x q d 为x 方向的流量增量；*x h d 为在x 方向上的近似水头差，上标*表示近似，* x h d 可 以表示为