压电纤维复合材料的精密平台用主动抑振装置开题报告

全文总字数：6145字

1. 研究目的与意义（文献综述）

振动是自然界最普遍的现象之一。大至宇宙，小至亚原子粒子，无不存在振动。振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础，它给我们的生活带来很大的变化。但是，振动也会带来一些问题，比如桥体因海水的冲刷造成的振动，铁轨因火车快速通过造成的振动，飞机因气流造成的振动等等，都会带来一定程度的损伤。而在一些精密仪器中，振动带来的危害就更加明显，由于不利振动，会使仪器的精密程度大大折扣，部分部件由于长时间的振动导致使用寿命大幅减少，甚至由于不利振动，导致一些微小精细的操作无法实现。随着科技的飞速发展，各种精密装置被广泛应用于航空、航天、精密仪器以及其他工业设计等领域，但是，由于实际运用环境复杂多变等原因，精密装置中很多关键模块的敏感元件易受外部干扰而引起多峰共振，从而严重影响其高精确性和可靠性。与此同时，相配套的精密平台用抑振装置应运而生。

从消耗能量的多少，可将振动控制分为三类：被动振动控制、主动振动控制和半主动振动控制^[1]。被动振动控制^[2]不依靠外界输入能量来控制振动，而是通过吸振或隔振来降低结构的振动，由于外部环境振动通常在5-2000hz低频范围内随机振动，现有的被动隔振技术响应频段窄、低频适应性差，当精密平台受到具有高度不确定性的宽频带扰动时，具有很大的局限性。半主动结构控制是在不需要外部能源输入的情况下，控制装置能够依据结构的反应信息或外界荷载的激励信息主动地调节控制装置的工作状态以减小结构响应。但半主动控制的实现受到一些约束条件的限制，对控制算法要求极高。主动振动控制^[3]是通过外加能量，使其抑振元件的振动方向与主体结构的振动方向相反，再用不同的算法对结构体进行控制，使其可以更加灵活的对干扰振动做出很好的响应，这种方式的适用范围更加广泛，灵活度也更高。因此主动振动控制更受大家欢迎。

随着形状记忆合金（sma）^[4]、压电材料^[5]、电流变材料^[6]以及超磁致伸缩材料^[7]等智能材料的发展，使得主动振动控制技术有了很大的飞跃。其中压电材料是一种具有逆压电效应的智能材料。逆压电效应是指将该材料放置在电场中，在电场作用下，内部正负电荷中心会发生相对位移，从而使材料发生形变^[8]。因此压电材料的振动主动控制是以逆压电效应为基础，根据所检测到的振动信号，应用一定的控制策略，经过实时计算进而驱动外部的压电作动器对控制目标施加一定的影响，最终达到抑制或消除振动的目的^[9]。此类材料具备驱动性强、灵敏度高、响应速度快等优点。因此，将压电材料作为抑振元件很有应用前景。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

（1）文献调研及理论学习

通过国内外相关文献的调研，掌握压电材料的原理和压电纤维复合材料MFC的抑振机理，了解压电复合材料在抑制振动方面的研究现状和进展，学习国内外数据仿真的方法,找出提高MFC抑振能力的方法。

（2）有限元仿真法

利用有限元分析软件COMSOL建立模型，仿真MFC对精密平台的主动抑振效果。

（3）压电纤维复合材料的制备与表征

利用切割-填充法制备压电纤维复合材料，采用X射线衍射分析（XRD）、拉曼光谱分析（Raman）、热重分析（TGA）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）等对其进行物相与结构测试表征。

（4）检测MFC对精密平台的抑振效果

将制备好的MFC安装于精密平台上，一方面通过仿真软件，来模拟主动抑振的效果，另一方面通过仿真进一步指导实验，检测MFC对其精密平台的主动抑振效果。

2.2 研究目标

（1）利用有限元仿真软件COMSOL建模分析，并根据计算结果指导实验的开展。

（2）采用切割-填充法制备压电纤维复合材料，根据仿真结果设计精密平台用主动抑振装置，开展相关测试。

2.3 技术方案

（1）试剂与仪器：

试剂：PZT压电陶瓷粉末、聚乙烯醇（分子量1750±50）等

仪器：

（2）实验方案：

（i） 利用COMSOL建立模型。

（ii） 通过模型仿真MFC对精密平台的主动抑振效果。

（iii） 制备压电陶瓷，利用金刚石直线切割机切割后向缝隙中填充环氧树脂，然后在真空干燥期内放置24h；固化后再用金刚石直线切割机切割成所需的压电纤维复合材料片。

（iv）在2kV/mm电场下完成对MFC的极化。

（v）将制好的MFC安装在精密平台上，根据有限元仿真结果指导，研究不同电压、频率以及给予精密平台的加速度对抑振效果的影响。

（3）表征与分析：

通过XRD、SEM等表征手段对压电纤维的物相，微观结构进行分析。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－8周：整理资料，在任务书的基础上，设计研究方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关的结构和性能的测试方法，调研国内外研究现状，了解仿真模拟软件的使用，用仿真软件comsol建模分析主动抑振的效果；

第9－12周：了解制备压电纤维复合材料的方法和制备工艺，用有限元仿真结果指导实验的进一步开展；搭建精密平台用主动抑振装置，在平台上测试其应变特性、抑振特性等相关参数，计算出其抑振过程中的能量损耗和能量转换效率；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]sun j q, jolly m r, norris m a. passive, adaptive and active tunedvibration absorbers-a survey[j]. transactions of the asme, 1995, 117(6): 234-242.

[2]franchek m a, ryan m w, bernhard r j. adaptive passive vibrationcontrol[j]. journal of sound and vibration, 1995, 189(5): 565-585.

[3]fuller c. active vibration control[m]. encyclopedia of acoustics,2007.