高长银[1]2004年在《压电石英晶片扭转效应研究及新型扭矩传感器的研制》文中研究说明自从1880年发现压电效应以来,压电效应研究便一直是压电学科基础理论和智能材料的核心课题。当前,由于科技发展和工程实际需要,压电效应的研究已经由单纯基于应力的纵向效应、横向效应、剪切效应等二维效应发展到基于晶体变形的拉伸、压缩、弯曲、扭转的三维复合效应,但尚未完善建立起基于变形的压电效应理论体系。本文在高校博士学科点基金(98014106)和国家自然科学基金(60374043)的资助下,运用压电学、晶体物理学、电介质物理学、各向异性弹性理论以及各向异性电磁理论等交叉学科的理论成果,对三维复合效应中的压电石英晶片扭转效应进行了深入系统的研究,从而首次给出了一套完整的压电晶体扭转效应的研究方法;并在该理论研究的基础上成功研制出一种新型扭矩传感器。 首先,探讨了在机械扭矩载荷作用下压电晶体内部由弹性各向异性引起的复杂应力状态,结合各向异性扭转理论和各向异性麦克斯韦电磁理论,得出了YO切型石英晶片扭转应力场和非线性极化体电荷与面电荷密度分布规律,并采用有限元法模拟了极化电场在压电片内的分布。结果发现在晶片机械轴垂直表面上扭转极化电荷密度分布是非均匀的,而是以电轴为分界线成反对称分布。所以为了合理布置电极以有效检测晶片的扭转效应,必须采用分割电极法,而不是通常所用的单电极法:采用电荷法,而不是常用的电压法来进行电极间连线。理论与实验结果均表明压电石英晶片确实存在扭转效应,且外扭矩与所产生的电量之间是确定的线性关系。 其次,在压电石英晶片扭转效应研究的基础上,采用有限元法对基于石英晶片扭转效应的新型扭矩传感器结构中的关键尺寸进行了分析计算,研制成功一种全新具有自主知识产权的压电扭矩传感器。该新型扭矩传感器同其他压电扭矩传感器相比突出特点:它采用了石英晶片的扭转效应,而不是剪切效应。整个扭矩晶组仅用三片普通YO切型的石英晶片组成,晶组组成方式能够消除径向力与轴向力的向间干扰,而且又能提高传感器的灵敏度。标定结果表明该传感器具有良好的线性静态特性,固有频率高于12kHz。传感器的技术指标全面达到CIRP-STCC规定的测力仪标准,该研究成果已经申请中国国家发明专利。 最后,采用三因素(钻头直径d,进给量f,钻床的转速n)正交试验法对钻削中的扭矩进行实测。通过方差分析指出影响扭矩的主次顺序为d>f>m,并根据多元线性回归建立了钻削45钢的扭矩经验公式,从而验证了该扭矩传感器完全可以用于实际测量。
于虎[2]2007年在《无定心四向压电钻削测力仪的研制及其实验研究》文中认为钻削测力仪作为检测钻削过程中各项数据的最基本设备，在实现加工自动化、自适应控制和最优控制的方面发挥着重要的作用。近年来，随着“压电石英扭转效应”原理的发现和应用，钻削测力仪的制作方法和工艺大大简化，使用单个传感器进行多向力测量也成为可能。本文在国家自然科学基金(50475152)的资助下，从工程实际出发，在运用了晶体物理学、电介质物理学、压电学、各向异性弹性理论、电磁学、有限元分析等交叉学科的理论成果的基础上，论述了石英晶片的扭转效应原理，利用有限元分析软件ANSYS对圆形石英晶片的扭转效应进行了模拟。根据四向测力仪的特点和使用要求，对石英晶片的尺寸、壳体的主要尺寸、预紧力和量程等主要参数进行了设计，并利用有限元分析软件ANSYS对测力仪的结构进行分析，设计制造出测力范围为F_z=0～1500N，F_x／F_y=0～600N，M=0～9N·m的四向压电钻削测力仪。经过静、动态标定及切削试验验证，测力仪的各项技术指标全面达到CIRP-STCC规定的动态切削测力仪标准，为钻削测力仪的设计、制造和实验研究提供了依据和指导。该四向压电钻削测力仪同其他钻削测力仪相比突出的特点是：它应用了石英晶片的扭转效应测扭矩，测扭矩和径向力的晶组仅由四片普通Y0°切型的石英晶片组成；其结构简洁、调试方便、加工与装配工艺性好、成本较低；同时检测钻削过程中的四向力，能全面地反映钻削过程中钻削力的分布情况。本测力仪不但适用于实验室使用，而且适用于实际生产的测试与实时监控中。在此基础上，对本测力仪是否可以进行无定心测量进行了研究，针对本测力仪的传感器分布形式提出了无定心数据处理方案，应用Visual Basic语言开发出相应的数据处理程序。
郭莉[3]2002年在《石英晶体扭转效应的仿真与优化》文中进行了进一步梳理本文在博士学科点基金和自然科学基金的资助下，从工程实际出发，运用晶体物理学、电介质物理学、弹性理论、数值分析等交叉学科的理论成果，对石英晶体扭转效应进行了研究。应用各向异性柱体扭转理论，探讨了石英晶体在扭矩作用下内部复杂的应力场分布，给出了应力场的数值解法。联系石英晶体的压电效应，计算出内部的电极化场，并利用电场等效原理求解出等效电极化体电荷与面电荷分布。从理论与实验两个方面确定了石英晶体扭转效应的存在。建立了压电晶体扭转效应中电学量和机械量的关系。 在建立石英晶体扭转效应模型的基础上，应用多变量、无约束非线性优化方法对于晶体切型、截面形状等参数进行了优化，以获得最佳扭转灵敏度。优化结果得到了实验的有力支持。这一结果对于石英晶体扭转效应在工程中的应用有重要意义。 附录给出了基于MATLAB的仿真与优化程序。
吴涧彤[4]2000年在《压电晶体扭转效应的研究》文中进行了进一步梳理本文在博士学科点科研基金的资助下，从工程实际出发，运用晶体物理学、电介质物理学、弹性理论、位势理论、数值分析和群论等交叉学科的理论成果，对压电晶体扭转效应进行了深入系统的研究。从理论和实验两方面确定了压电晶体扭转效应的存在。建立了压电晶体扭转效应中机械量与电学量之间的联系，从而给出了一套完整的压电晶体扭转效应的研究方法。 本文探讨了在机械扭矩载荷作用下压电晶体内部由弹性各向异性引起的复杂应力状态，结合各向异性柱体的扭转理论，采用坐标变换将各向异性柱体扭转的控制方程和边界条件转化成了各向同性的可解形式。总结了压电晶体内部非线性极化的形成规律，利用电场的等效原理将这种非线性极化激发的电场的求解问题转化为等效极化电荷体系的电场问题，并归纳成泊松方程的内边值问题和拉普拉斯方程的外边值问题。以左、右旋石英晶体的扭转效应为例，采用有限元数值方法分析了扭转效应在石英柱体内、外产生的电场的性态。 面对工程界对左旋石英晶体压电性质的描述不统一的现状，从晶体螺旋对称的本质出发，应用宇称不变性明确地建立了左、右旋晶体这两种客观实在物质的物理性质之间的联系，给出了建立这种联系的方法，并应用到了左旋石英晶体的三阶压电张量和四阶弹性张量的确定中。 通过压电晶体扭转效应的研究，创立了一种全新的单压电体扭矩测量方法。以左旋石英晶体为例，依据对扭转效应产生的极化电荷与电场的分析结果，有效地布置了检测电极，从而实现了单压电体扭矩检测，得到了同理论计算结果相符合的实验数据。给出了单压电体扭矩测量技术中检测灵敏度的优化方法：针对不同的电极布置方案，以检测灵敏度为目标，通过张量变换和求解多变量极值的方法确定了对应于扭转效应的最优晶体切型。
韩丽丽[5]2005年在《无定心钻削测力仪的结构优化设计》文中提出压电钻削测力仪是研究钻削过程最基本的仪器和手段,也是现代自动化加工过程中实现状态监控、自适应控制和最优控制必不可少的环节。随着科学技术的发展,不但对压电测力仪的各种性能指标有了更高的要求,对压电测力仪的设计制造的方法也提出更新更高的要求。 本文在国家自然科学基金(50475152)的资助下,从工程实际出发,在运用了晶体物理学、电介质物理学、压电学、各向异性弹性理论、电磁学、有限元分析等交叉学科的理论成果的基础上,设计制造出测力范围为M_z=0～200N.m,F_z=5000N的无定心钻削测力仪。经过静态标定、动态标定、无定心测试以及温度效应标定,其各种指标都已达到设计要求,为下一步设计出以压电石英晶体扭转效应为原理的无定心钻削测力仪打下了良好的基础。同时,本文作者运用有限元优化软件ANSYS对根据经验设计出的无定心钻削测力仪进行结构优化,得到其结构参数。为以后结构设计的结构参数的确定提供了新的思路。 本论文还论述了压电效应产生机理,研究、分析了无定心钻削测力仪的数学模型,对模型间的接触分析,传感器的压电分析以及其后的优化分析进行了详细的阐述。无定心钻削测力仪的数学模型的建立,结构的参数优化,丰富了压电测力仪的理论体系,为压电测力仪的设计、制造和实验研究提供了理论依据和指导。 压电无定心钻削测力仪的突出优点是可以测量测力仪工作台面上任意点的扭矩,测时的相对误差也不超过±1%。而且结构简捷、调试方便、加工与装配工艺性好、成本较低,不但适于实验室,而且将适用于实际生产的测试与实时监控中。
韩丽丽[6]2006年在《三向压电钻削测力仪的设计及扭矩加载器的研制》文中提出钻削测力仪是研究钻削过程最基本的仪器和手段，通过测得钻削力的变化，人们能快速的识别故障，提高加工过程的可靠性和生产效率。因此钻削测力仪是现代自动化加工过程中实现状态监控、自适应控制和最优控制必不可少的环节。随着科学技术的发展，人们对钻削测力仪的功能和性能指标也提出更新更高的要求。 本文在国家自然科学基金(50475152)的资助下，从工程实际出发，在运用了晶体物理学、电介质物理学、压电学、各向异性材料力学、电磁学等交叉学科的理论成果的基础上，根据其特点与使用要求，对钻削测力仪结构中的关键尺寸和动态特性进行了设计和分析。设计制造出利用石英晶片扭转效应测扭矩，只采用四片石英晶片就可以同时测量钻削过程中的扭矩、轴向力、径向力的三向压电钻削测力仪。其测力范围为M_Z=0～9N．m，F_z=0～1500N，F_x=0～1000N。经过静态标定、动态标定和实际钻削测定，其各种指标都已达到设计要求。该三向压电钻削测力仪同其他钻削测力仪相比突出的特点是：它采用了石英晶片的扭转效应测扭矩，可以实现钻削过程的无定心测量；测扭矩和径向力的晶组仅由两片普通YO~0切型的石英晶片组成；其结构简洁、调试方便、加工与装配工艺性好、成本较低。同时检测钻削过程中的三向力，能更全面地反映钻削过程中钻削力的分布情况。 研制出了扭矩加载器，该加载器基于柔性铰链组成导杆，只需要加载一个力即会产生一个平衡对称的纯扭转，具有结构简单，制作方便的优点。柔性铰的尺寸参数和位置参数是该装置设计的关键，其参数的大小可通过有限元分析软件ANSYS进行结构优化得到。经过实验分析，确定其加载产生扭矩的范围为M=0～16.375N．m，加载器精度和转换率高，线性度和重复性好。 本论文还论述了压电效应的产生机理，并探讨了在机械扭矩载荷作用下正方形内带圆孔的压电晶片内部由弹性各向异性引起的复杂应力状态，结合各向异性扭转理论和各向异性麦克斯韦电磁理论，得出了YO~0切型的方形内带圆孔石英晶片扭转应力场和非线性极化体电荷与面电荷的密度分布规律，并采用有限元软件ANSYS模拟了应力场和极化电场在压电石英晶片内的分布。结果表明在晶片表面上扭转极化电荷密度分布是以电轴为分界线成对称分布，电荷正负相反，外扭矩与极化产生的电荷量之间是确定的线性关系。
江亮[7]2007年在《压电材料多次压电效应理论模型的仿真研究》文中认为自1880年Curie兄弟在石英晶体上发现压电效应以来，压电效应的理论和应用研究已取得了突飞猛进的发展。然而，一直以来的压电效应研究均属于一次压电效应领域。由于科学技术发展和工程实际需要，随着多次压电效应的感生电场和感生应变越来越微小化，需要进一步对多次压电效应的理论与应用进行研究。本文分析了一次、二次以及多次压电效应与压电体机械、电学边界条件的关系，讨论了多次压电效应产生的前提是满足相应边界条件，结合不同边界条件，进行了从一次正、一次逆压电效应开始的多次压电效应的理论分析，建立了多次压电效应的解析表达式，分析了多次压电效应对压电体介电系数、弹性系数、压电系数的影响规律。在此基础上，本文分别针对压电石英晶片和PZT-5压电陶瓷片进行建模，运用大型有限元分析软件ANSYS对从正压电效应开始的一次正、二次逆以及从逆压电效应开始的一次逆、二次正进行了模拟仿真，证明了二次正、逆压电效应的存在，把输出结果和多次压电效应表达式计算结果进行比较，验证了理论解析表达式的正确性。在理论分析和模型仿真的基础上，本文使用PZT-5压电陶瓷的叠堆形式，进行了从正压电效应开始的一次正、二次逆、三次正压电效应以及从逆压电效应开始的一次逆、二次正、三次逆压电效应的实验验证，证明了多次压电效应的存在。由于多次压电效应的各次正、逆压电效应是在同一压电体内依次存在的双向效应，其原理特别适合应用于传感器、执行器集成一体化的研究。因此，该研究对于微机电系统(MEMS)的发展具有积极意义。
王英光[8]2003年在《石英晶体弯曲效应的研究及应用》文中研究表明随着科学技术的发展，压电材料得到了广泛的应用，压电材料的各种效应也有了深入的研究。鉴于压电晶体弯曲效应的研究还只停留在实验研究水平上的现状，本文从理论上解释压电弯曲效应的存在，并基于此理论设计了一种微动机构。 本文在国家自然科学基金(69774020)和博士学科点基金(98014106)，(20010141006)的资助下，从工程实际出发，运用晶体物理学、电介质物理学、弹性理论、压电学等交叉学科的理论成果，对石英晶体弯曲效应进行了研究。应用各向异性柱体纯弯曲理论，探讨了石英晶体在弯矩作用下内部的应力场分布，给出了应力场的解析解法。联系石英晶体的压电效应，计算出内部的电极化场，并利用电场等效原理求解出等效电极化体电荷与面电荷分布。从理论与实验两个方面确定了石英晶体正压电弯曲效应的存在。并以YO~0切型压电石英晶体为例从理论上分析了石英晶体逆压电弯曲效应，且给出了单体压电片状执行器端部致动位移与驱动电压的理论关系。建立了压电晶体弯曲效应中电学量和机械量的关系，从而给出了一种压电晶体弯曲效应的研究方法。 在建立石英晶体弯曲效应模型的基础上，对晶体切型进行单转角的优化设计，并综合考虑单频性、压电活力、零温度系数等条件，设计出一种可在X，Y方向做双向振动的微型振动机构，旨在为研制微型雕刻装置——压电雕刻笔式执行器打下基础。并对该机构进行定性的实验分析，证明了用单块石英晶体研制微型执行器实现微雕功能的想法是可行的。 本文的研究结果将进一步补充和完善压电理论，为应用单压电体弯曲效应研制执行器件打下基础。
黄成[9]2009年在《复合圆柱体Saint-Venant扭转问题的研究》文中提出圆柱扭转在工程中的应用十分广泛,尤其是为了提高柱体的承载能力,复合柱体在工程中也十分常见。另一方面,这些构件在加工或使用过程中或多或少都存在某些缺陷,如夹杂、孔洞和裂纹等。所以研究含孔、裂纹、夹杂等复合圆柱的扭转问题具有重要的理论和工程意义。基于复势函数理论,本文提出了一种既简洁又直观的方法来研究复合圆柱体的Saint-Venant扭转问题。主要内容分以下几个部分:第一章简要介绍了扭转的工程应用背景、Saint-Venant扭转问题和压电材料扭转问题在国内外的研究现状;第二章主要给出本文所需的基本方程;第三章至第五章是本文的主要部分,分别研究了含多个圆孔、椭圆孔、裂纹和夹杂的圆柱体的Saint-Venant扭转问题,得到了圆柱内研究区域的应力场和抗扭刚度的半解析解,以及当椭圆孔退化成裂纹时,裂纹尖端的应力强度因子的解,并通过数值计算分别讨论了这些缺陷的排布、数量对圆柱内的抗扭刚度和孔、裂纹、夹杂周边的应力场的影响等。第六章研究了对含有多个圆孔的压电圆柱体的Saint-Venant扭转问题。基于复势的方法,并结合右旋石英晶体压电材料的特性,求解了扭转所产生的压电圆柱内的应力场,并利用电场等效原理求解了面极化电荷密度分布等。最后,第七章为对本文做了总结,并对未来工作做了展望。
韩丽丽, 孙宝元, 钱敏, 高长银[10]2006年在《压电石英晶体扭转效应的ANSYS分析》文中进行了进一步梳理在通过各向异性弹性理论和麦克斯韦理论研究Y 0°切型石英晶片的扭转效应,得出其扭转应力场和非线性极化电场分布的基础上,利用AN SY S的耦合场分析验证了压电扭转效应的存在.通过建模、划分网格、求解和后处理几个典型的步骤得到Y 0°切型石英晶片的应力值和极化电压,显示其与所加载的扭矩值成明显的线性关系.而采用分割电极的方法进行实验,其数据也证明了理论分析及有限元分析的正确性.
参考文献：
[1]. 压电石英晶片扭转效应研究及新型扭矩传感器的研制[D]. 高长银. 大连理工大学. 2004
[2]. 无定心四向压电钻削测力仪的研制及其实验研究[D]. 于虎. 大连理工大学. 2007
[3]. 石英晶体扭转效应的仿真与优化[D]. 郭莉. 大连理工大学. 2002
[4]. 压电晶体扭转效应的研究[D]. 吴涧彤. 大连理工大学. 2000
[5]. 无定心钻削测力仪的结构优化设计[D]. 韩丽丽. 大连理工大学. 2005
[6]. 三向压电钻削测力仪的设计及扭矩加载器的研制[D]. 韩丽丽. 大连理工大学. 2006
[7]. 压电材料多次压电效应理论模型的仿真研究[D]. 江亮. 大连理工大学. 2007
[8]. 石英晶体弯曲效应的研究及应用[D]. 王英光. 大连理工大学. 2003
[9]. 复合圆柱体Saint-Venant扭转问题的研究[D]. 黄成. 南京航空航天大学. 2009
[10]. 压电石英晶体扭转效应的ANSYS分析[J]. 韩丽丽, 孙宝元, 钱敏, 高长银. 大连理工大学学报. 2006
标签：物理学论文; 化学论文; 压电晶体论文; 压电效应论文; 石英晶体论文; 各向异性论文; 测力仪论文; 应力状态论文; 弯曲试验论文; 弯曲应力论文; 电荷密度论文;