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水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

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振动工程学报 2024年第3期37卷 365-373页

作者：杨浙栋娄军强陈特欢崔玉国魏燕定李国平宁波大学机械工程与力学学院浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室浙江宁波315211 浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点研究实验室浙江杭州310027

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数... 详细信息

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明:在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。

关键词：非线性流体动力学流体动力函数流固耦合振动水下柔性结构压电纤维

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压电纤维的制备及应用研究进展

合成纤维工业 2024年第1期47卷 61-66页

作者：程文平董洁李鹏飞孙润军西安工程大学纺织科学与工程学院陕西西安710048 西安工程大学省部共建智能纺织材料与制品国家重点实验室(培育) 陕西西安710048 陕西省纺织印染自动化工程技术研究中心陕西西安710048

综述了无机陶瓷压电纤维、有机聚合物压电纤维及复合压电纤维的制备方法,介绍了压电纤维在可穿戴领域、能量收集领域、医疗领域、结构健康监测领域的应用情况。无机陶瓷压电纤维的制备技术包括热塑性挤压法、黏性溶液纺丝法、溶胶-凝胶... 详细信息

综述了无机陶瓷压电纤维、有机聚合物压电纤维及复合压电纤维的制备方法,介绍了压电纤维在可穿戴领域、能量收集领域、医疗领域、结构健康监测领域的应用情况。无机陶瓷压电纤维的制备技术包括热塑性挤压法、黏性溶液纺丝法、溶胶-凝胶法,其中热塑性挤压法和黏性溶液纺丝法具有操作简单、绿色环保的特点。有机聚合物压电纤维的制备技术包括熔融纺丝法、湿法纺丝法和静电纺丝法等,其中静电纺丝法制备有机聚合物压电纤维是当前的研究热点。指出未来压电纤维的研究在高压电响应压电纤维的制备、压电纤维与功能性纺织品的整合、压电纺织品的结构设计方面仍有待突破。

关键词：压电纤维聚偏氟乙烯制备应用可穿戴设备

基于压电纤维传感器应力波方向检测的结构冲击定位研究

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仪器仪表学报 2023年第1期44卷 27-37页

作者：蒋帅沈意平王送来支余林宾光富湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室湘潭411201 湖南铁道职业技术学院智能制造学院株洲412001 株洲国创轨道科技有限公司湖南省轨道交通装备智能感知与运维工程技术研究中心株洲412001

冲击定位监测是飞行器结构健康监测的重要研究课题。基于应力波方向检测的冲击定位方法可有效克服传统的到达时间方法依赖波速的应用局限性,适合飞行器复杂结构的冲击定位监测。本文分析了压电纤维对冲击应力波的响应特性,针对板结构冲... 详细信息

冲击定位监测是飞行器结构健康监测的重要研究课题。基于应力波方向检测的冲击定位方法可有效克服传统的到达时间方法依赖波速的应用局限性,适合飞行器复杂结构的冲击定位监测。本文分析了压电纤维对冲击应力波的响应特性,针对板结构冲击应力波信号具有宽频、频散与多模态成分混叠等特征,采用Shannon复数小波变换提取应力波能量峰值窄带信号,通过仿真与实验研究表明低速冲击板中产生的应力波主能量成分为A_(0)模态Lamb波;基于压电纤维对Lamb波的方向响应特性,优化制备了45°“应变花”结构的压电纤维传感器,以能量峰值窄带Lamb波传播方向表征应力波传播方向,提出了基于压电纤维传感器应力波方向检测的冲击定位方法。实验结果表明提出的基于压电纤维传感器应力波方向检测的冲击定位方法准确有效,平均距离定位误差为17.2 mm。研究成果提供一种应力波方向传感器及不依赖应力波波速的结构冲击定位方法,具有一定的理论研究意义和工程应用价值。

关键词：压电纤维应力波方向感知冲击定位窄带信号提取

基于MFC压电纤维复合材料的智能小翼驱动性能研究

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航空兵器 2023年第2期30卷 53-58页

作者：胡冰蕊张欣宇付裕中国航空研究院北京100020 西北工业大学航空学院西安710072

智能微型导弹可以通过控制可变形智能弹翼结构改变飞行状态,满足作战需求。针对此类可变形智能小翼结构,本文以压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)作为驱动器,通过使用MFC碳纤维复合材料悬臂梁仿真和试验相结合的方法验证压... 详细信息

智能微型导弹可以通过控制可变形智能弹翼结构改变飞行状态,满足作战需求。针对此类可变形智能小翼结构,本文以压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)作为驱动器,通过使用MFC碳纤维复合材料悬臂梁仿真和试验相结合的方法验证压电复合材料的驱动性能。随后,设计了MFC复合材料小翼驱动机构并进行驱动试验,验证了所设计的MFC驱动智能小翼变形方案的可行性。在此基础上,研究了智能小翼复合材料蒙皮铺层设计对小翼压电驱动性能的影响。结果表明,增大智能小翼蒙皮45°铺层占比、减小0°铺层占比,或将45°铺层置于蒙皮表层、0°铺层置于蒙皮芯层时,有利于智能小翼驱动性能提升。

关键词：智能小翼压电纤维压电驱动小翼结构设计复合材料

水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

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振动工程学报 2022年

作者：杨浙栋娄军强陈特欢崔玉国魏燕定李国平宁波大学机械工程与力学学院浙江省零件轧制成形技术重点实验室浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点研究实验室

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔前景。本文研究了水下大振幅压电纤维（Macro Fiber Composite,MFC）致动柔性结构的非线性流体动力特性，建立了流固耦合振动模型，并开展了实验验证。通过参数... 详细信息

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔前景。本文研究了水下大振幅压电纤维（Macro Fiber Composite,MFC）致动柔性结构的非线性流体动力特性，建立了流固耦合振动模型，并开展了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律，发现随着特征振幅增大，其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象，且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式，分析结果表明：在小振幅情况下，修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征频率增大而减少；而当特征振幅参数增大到一定值后，流体阻尼效应随着特征频率增大却呈现出先减少后增大的变化规律，具有强烈的非线性特性。最后开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验，证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致，验证了所提出修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。

关键词：水下柔性结构非线性流体动力流体动力函数流固耦合振动压电纤维

PVDF压电纤维仿生柔性传感器水下传感特性研究

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压电与声光 2022年第6期44卷 868-872,876页

作者：郭成东陈宇航曹鑫林吴志学边义祥扬州大学机械工程学院江苏扬州225127

感知器官对于许多动物必不可少,尤其是生活在水下的生物。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为材料,模仿水生动物海豹的触须设计制备了一种表面四电极PVDF压电纤维仿生柔性传感器。利用激振源测试所制备的传感器性能,包括输出不同的波形测试对... 详细信息

感知器官对于许多动物必不可少,尤其是生活在水下的生物。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为材料,模仿水生动物海豹的触须设计制备了一种表面四电极PVDF压电纤维仿生柔性传感器。利用激振源测试所制备的传感器性能,包括输出不同的波形测试对不同激励的感知,对水动力的感知及对水下运动物体方向的感知。实验结果表明,该传感器对不同激励的感知性能很好,速度检测极限可达0.15 mm/s,且有良好的方向性检测能力,对水下情况感知的应用前景广。

关键词：感知器官仿生学聚偏二氟乙烯(PVDF) 压电纤维传感器

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压电纤维复合材料桨叶的动力学建模

复合材料学报 2009年第6期26卷 173-176页

作者：尹维龙向锦武冷劲松哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨150080 哈尔滨工业大学力学博士后流动站哈尔滨150080 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

建立了压电纤维复合材料桨叶的非线性动力学模型。在此基础上,研究了压电纤维铺层对复合材料桨叶固有频率和桨叶扭转运动阻尼特性的影响。计算结果表明:桨叶扭转角变化量随着压电纤维施加电压的增加而增大;当电压为1000 V时,桨尖扭转角... 详细信息

建立了压电纤维复合材料桨叶的非线性动力学模型。在此基础上,研究了压电纤维铺层对复合材料桨叶固有频率和桨叶扭转运动阻尼特性的影响。计算结果表明:桨叶扭转角变化量随着压电纤维施加电压的增加而增大;当电压为1000 V时,桨尖扭转角变化量大约为2°。压电纤维铺层对桨叶固有频率几乎没有影响,其存在不会改变原设计复合材料桨叶的频率分布。当压电纤维铺设方向与桨叶展向成45°时,其对桨叶扭转方向的阻尼特性有着很大的影响;采用适当的电压控制,可以明显增加扭转方向的阻尼。

关键词：复合材料桨叶压电纤维阻尼动力学特性

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压电纤维复合材料能量采集仿真

硅酸盐学报 2019年第9期47卷 1283-1287页

作者：杨雄沈杰王锋周静湖北工程学院化学与材料科学学院湖北孝感432000 武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070

采用多物理场仿真软件建立悬臂梁结构压电纤维复合材料仿真模型,研究了复合材料结构与性能参数对能量采集特性的影响及规律。研究表明:在相同宏观几何条件下,跟压电陶瓷相比,压电纤维复合材料能量采集装置的输出电压更高,且悬臂梁振动... 详细信息

采用多物理场仿真软件建立悬臂梁结构压电纤维复合材料仿真模型,研究了复合材料结构与性能参数对能量采集特性的影响及规律。研究表明:在相同宏观几何条件下,跟压电陶瓷相比,压电纤维复合材料能量采集装置的输出电压更高,且悬臂梁振动时的谐振频率更低,通过调节压电纤维尺寸和纤维含量可以调节输出电压和谐振频率。在固定复合材料尺寸情况下和恒定振动加速度条件下,压电纤维高度越小,压电纤维含量越低,聚合物基体弹性模量越小,则能量采集装置的输出电压越高,谐振频率越低,压电纤维体积分数为20%~30%可以获得较大输出电荷与输出电压。

关键词：压电纤维复合材料能量采集悬臂梁仿真

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半电极含金属芯压电纤维的驱动性能

光学精密工程 2009年第1期17卷 109-117页

作者：边义祥裘进浩王鑫伟季宏丽朱孔军南京航空航天大学智能材料与结构研究所江苏南京210016

建立了悬臂梁结构半电极含金属芯压电纤维新型压电弯曲驱动器的理论模型。根据第一类压电方程,推导出自由端位移、夹持力和弯曲共振频率的解析表达式,分析了金属芯性能和半径对这3个参数的影响,并把理论计算结果和有限元分析结果进行了... 详细信息

建立了悬臂梁结构半电极含金属芯压电纤维新型压电弯曲驱动器的理论模型。根据第一类压电方程,推导出自由端位移、夹持力和弯曲共振频率的解析表达式,分析了金属芯性能和半径对这3个参数的影响,并把理论计算结果和有限元分析结果进行了比较。实验结果表明,悬臂梁结构半电极含金属芯压电纤维弯曲驱动器的自由端位移可达589μm,夹持力可达427μN,一阶弯曲共振频率为28 Hz,有限元分析结果和理论值基本吻合,说明这种驱动器有较大的端部位移、较小的夹持力和较低的弯曲共振频率。

关键词：半电极金属芯压电纤维弯曲驱动器