Modeling and Simulation of a Class of Piezoelectric Bimorph Cantilever Beams

作     者：Muhammad Umair 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫鹏

授予年度：2018年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：压电双晶梁 压电驱动器 弯曲 MPFM 有限元仿真 

摘      要：压电材料是一种用于电-力转换的材料。当压电材料收到力或其他载荷时,将在压电材料表面产生电荷;而在压电材料表面施加电场时,压电材料将发生变形。并且压电陶瓷或压电驱动器因具有高响应速度和高精度等重要性能指标,所以在众多工业技术产业中得到广泛应用。因同时具有以上特性,已在微机电系统、航空航天和智能系统得到广泛应用。为此,很多学者设计多种类型的压电驱动器,比如压电单晶驱动器、压电双晶驱动器、S型压电驱动器和热压电驱动器,而压电单晶梁由于其良好的定位能力、制备简单和成本低的特点得到广发关注。但压电单晶驱动器又因其基体层的存在,将阻止压电双晶梁的压电层变形,从而使压电单晶驱动器输出行程较小。为克服以上缺点,本文对一种由两层压电层构成的压电双晶驱动器进行研究。首先,采用压电材料的d31模式,对压电双晶驱动器的静力学弯曲进行研究。现存的压电梁或压电驱动器模型较多采用欧拉梁理论进行建模,但是当建压电驱动器参数发生变化时,压电驱动器的误差将随之发生变化,比如在压电驱动器的长度逐渐增加时,压电驱动器的理论计算值和仿真值的相对误差将逐渐增大,并在超过一定尺寸后,欧拉理论所建立的理论模型将不再准确。因此现存的欧拉理论在适用范围上存在局限性。所以本论文采用一种改进的MPFM(Modified Pin Force Model)理论建立压电双晶梁模型,用以描述压电双晶梁在力衡条件和边界条件约束下的压电梁性能。同时讨论不同压电双晶梁的长度和厚度对压电双晶驱动器弯曲性能的影响。其次,建立基于欧拉-伯努利理论的压电梁的动力学模型,并计算压电梁固有频率。然后,分析了压电双晶梁多个尺寸参数对其固有频率特性的影响。并利用ANSYS软件进行仿真,对压电双晶梁模型验证。并进一步将压电双晶梁输出挠度计算结果与ANSYS仿真结果进行比较,进而验证理论模型的正确性。最后,搭建压电双晶梁实验检测系统。通过在压电双晶梁两侧加载ANSYS软件相同的仿真参数条件,得到压电双晶梁的端部挠度参数,然后进行压电双晶梁数学模型理论计算值、ANSYS仿真值和实验检测系统实验值的对比。发现,所采用的MPFM(Modified Pin Force Model)理论建立压电双晶梁模型计算值与仿真值、实验值基本相符。最终得出以下结论,采用改进的MPFM理论建立的压电双晶梁理论方程可准确预测其不同电载荷下的弯曲特性。同时证明MPFM理论相比欧拉梁理论更加适合长压电梁或驱动器的建模。并且该方法简化了压电梁的分析方法的复杂程度,并具有一定的实际应用价值。