功能梯度复合换能器的径向振动特性分析.pdf

浙江大学
硕士学位论文
功能梯度复合换能器的径向振动特性分析
姓名:徐宗贤
申请学位级别:硕士
专业:固体力学
指导教师:王惠明
2012-03-11
摘要在超声及水声技术中,换能器是核心元件之一,它是一种能量转换的器件。合圆环换能器的参数分析。在此基础上,改变内外层材料分布的形式,假设材料关键词:换能器,功能梯度材料,径向振动,谐振频率,反谐振频率既可作为压电陶瓷材料参数的标准测试振子,也可用作换能器的有源器件。功能梯度材料是一种特殊的非均匀材料,材料特性在空间上连续变化,具有传统层合材料无可比拟的优势。利用径向伸缩振动的压电陶瓷圆环是常用的压电器件,本文对压电复合圆环换能器的径向振动特性进行了研究,该换能器由一个径向极化的压电圆环和一个弹性圆环在半径方向复合而成,根据三维线弹性和压电弹性理论,导出了简谐电信号激励下平面应力问题的控制方程并得到压电圆环和弹性圆环的位移一般解,最终确定出谐振频率和反谐振频率的特征方程。此方法适用于任意厚度的压电复沿径向成幂函数方式变化,分别考虑了弹性层为功能梯度材料,压电层为功能梯度材料,弹性层和压电层均为功能梯度材料三种情形。通过算例分析了材料按不同梯度形式分布时,换能器的谐振频率、反谐振频率和有效机电耦合系数的变化规律,同时也探讨了压电复合圆柱换能器一些重要的特性。浙江大学硕士学位论文
.瓼..甌甒.,,..:琣猺瑀浙江大学硕士学位论文..
第一章绪论引言比例不一,剑脊含铜较多,韧性好,不易折断;刃部含锡高,硬度大,使剑非常正之、平井敏雄等【首次提出,用于解决航天技术中出现的高落差温度热瓦坎与主体结构的热膨胀系数、热传导系数、弹性模量及强度、韧性等物大自然存在许多天然的功能梯度材料,如骨、牙齿、贝壳、树叶和竹子等,与其它生物材料不同的是功能梯度材料的组成成分或结构是呈逐步过渡变化的,这种变化使其具有了更为突出的力学性能如坚韧不拔、耐磨、耐腐蚀等。人造功能梯度材料古代就有,现藏湖北省博物馆的越王勾践剑,瓿鐾潦比院逼人,锋利无比,让世人惊叹。年月,复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。剑的各个部位铜和锡的锋利;花纹处含硫高,硫化铜可防锈蚀。虽然功能梯度在自然界早就存在,但它作为一种材料的设计理念直到年才开始萌芽‘,,当时只是提出了材料性质呈梯度变化的建议。对功能梯度材料的设计直到年才由日本科学家新野的材料设计问题。由于航天飞机在进出大气层的过程中,机头尖端和机翼前沿可以达到母呶拢虼耍枰T诜尚衅鞅砻嫱可夏透呶碌奶沾刹牧匣蛑苯贴上隔热瓦。同时作为航天飞机机体的超耐热材料要具有高的强度。由于这些隔理性能和力学性能的巨大差异,在高温环境下涂层和飞行器主体的变形并不协调。运行中产生的过高的界面应力导致界面处产生裂缝、剥离或脱落,并常有失效发生【浚诟缏妆妊呛藕教旆苫砩鲜褂玫淖枞炔牧险怯商沾刹牧瞎钩的,可以想象如果这种材料具有足够高的强度,即使在受到一些不可避免的损伤时依然能保持良好的状态,那么哥伦比亚号失事的悲剧就可以避免。从上一世纪年代起,美国在发展载人航天器方面曾经历了两个主要阶段,一是一次性应用的登月飞行用航天器,而后是发展能多次往返使用的航天飞机。为了能反复使用,降低更换隔热瓦的费用,需要攻克一系列技术难关,研制出一种在强温差环境下能反复正常工作的材料,并降低热应力,功能梯度的概念便应运而生。所谓功能梯度材料是根据使用要求,选择使用两种不同性能的材料,采用先进的材料复合技术,使中间的组成和结构连续呈梯度变化,内部不存在明显的界浙江大学硕士学位论文
嚏抛∞¨鳃ā纯舫触÷毒”觥娲÷毒◆毒甠÷々◆曩÷夸争●争至完全消除各组分之间的界面,使材料的宏观特性在空间位置上呈梯度变化,从的体积含量在空间位置上是连续变化的,因此其复合材料的热物性参数是空间位突变,可缓解应力集中并优化热应力分布旯凵辖缑娴耐耆В匀痪面,从而使材料的性质和功能沿某个方向呈梯度变化的一种新型复合材料。功能梯度材料的基本设计思想是在材料的制备过程中,将陶瓷和金属设计成不直接连接,而是在它们之间形成一个在成分、组织及性能呈梯度变化的过渡区。弱化甚而满足结构元件对材料的使用性能的不同要求【俊@绾教旆苫忌粘逖故椒⒍机燃烧室壁接触数千度高温气体的一面使用耐热性优良的陶瓷,赋予材料耐热性能,而接触制冷材料冷却氢的一侧采用金属材料,赋予材料导热性和机械性能,在两个界面之间,采用先进的材料复合技术通过控制金属和陶瓷的相对组成和组织结构,使其无界面的逐渐变化,从而使整个材料具有耐热性好而且机械强度也高的新功能9钩蒄组分的显微结构沾伞⒔鹗簟⑽藁蛴谢铮宋显微气孔等唤鍪橇植嫉模沂强梢钥刂频摹4雍旯凵峡矗髯榉植牧置的函数,与传统的复合材料层合板相比,由于这类材料的力学和热学参数