论文摘要
压电复合材料是由压电陶瓷增强相与基体相组合而成，并具有两种材料特征的功能材料。其中由压电陶瓷颗粒与基体直接混合成型的0-3型压电复合材料具有成型工艺简单、成品形状多样的特点，因此在电—弹能量转化利用方面具有极高的应用价值。利用压电材料所具有的压电效应，压电材料目前广泛应用于结构振动抑制及机械振动能量采集领域。但目前对于多相非均质的0-3型压电复合材料在此方面应用研究报道较少，且多集中于实验研究，缺少理论预报分析。本文首先采用数值理论方法对0-3型PZT/环氧压电复合材料的材料常数进行了数值预报。在材料性能数值预报研究结果的基础上，开展了0-3型PZT/环氧压电复合材料在减振降噪与能量采集应用方面上的研究，给出数值理论研究方法，并通过实验测试手段加以验证。材料性能预报是开展0-3型PZT/环氧压电复合材料应用研究的基础，目前压电复合材料的性能预报已有多种数值方法，为了得到一种便捷高效的材料性能预报方法，本文基于双尺度均匀化理论，结合有限元数值方法实现了0-3型PZT/环氧压电复合材料性能常数的数值预报。相比已有的直接有限元方法、夹杂理论方法及解析方法对0-3型PZT/环氧压电复合材料的材料性能预报结果，本文的方法具有准确性高，计算便捷，运算量少的优点。并且通过对0-3型PZT/环氧复合材料的性能实验测试，验证了双尺度均匀化有限元方法的可靠性。含有导电相的0-3型压电复合材料可以将外部作用的机械振动能量通过材料内部压电相及自身体积电阻转化成热量进行耗散，从而产生耗散机械能量、抑制振动的压电阻尼效应。为了建立0-3型压电复合材料的压电阻尼数值预报方法，本文引入电学压电被动分流理论，利用双尺度均匀化有限元方法对0-3型压电复合材料性能的数值预报结果，实现了对材料基体内含有炭黑导电相的0-3型PZT/环氧压电复合材料的压电阻尼数值预报。同时本文采用动态力学分析测试方法对0-3型压电复合材料的压电阻尼进行了研究，并结合压电阻尼数值预报方法分析了炭黑导电相的含量对材料所产生压电阻尼大小的影响。由研究发现当炭黑含量接近材料内部产生导电渗流现象的阈值时，PZT/导电炭黑/环氧压电复合材料产生最大的压电阻尼值。在0-3型PZT/环氧复合材料阻尼性能的研究基础上，为了提高碳纤维复合材料层合结构水下减振降噪的性能，本文以环氧基碳纤维复合材料层合板为研究对象，采取了层间掺杂PZT颗粒的方法，开展了提高碳纤维复合材料层合板水下减振降噪性能的研究工作。文中通过流固耦合有限元方法对结构在水下的位移响应进行了数值仿真，并采用声学边界元方法，对结构在水下声场中的声辐射及声压分布进行了数值分析。由仿真结果发现采用层间掺杂压电陶瓷颗粒的方法能够对碳纤维层板起到有效的水下减振降噪作用。本文同时搭建了水下振动声辐射的测试平台，通过实验测试方法分析了碳纤维复合材料层合板在层间掺杂压电陶瓷颗粒后的水下降噪效果。在0-3型PZT/环氧复合材料在能量采集上的应用研究中，本文以悬臂梁式压电振子为研究对象，采用静态力学解析方法与动力学有限元方法构建了对0-3型压电复合材料的能量采集性能的数值分析方法。利用数值计算与实验测试对不同的材料组分、几何形状、振动模态频率下的悬臂梁式0-3型PZT/环氧压电复合材料振子的能量采集性能进行了分析研究。总结了影响悬臂梁式PZT/环氧复合材料压电振子能量采集性能的因素，为提高装置的能量采集效率提供了依据。本文关于0-3型PZT/环氧压电复合材料的研究，丰富并完善了此类材料的性能预报方法，为0-3型PZT/环氧压电复合材料在减振降噪与能量采集应用方面提供了一定的理论研究依据。
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