文档介绍：第 35 卷第 6 期河海大学学报( 自然科学版) Vol. 35 No. 6
2007 年 11 月 Journal of Hohai University(Natural Sciences) Nov. 2007
压电智能材料在悬臂梁结构振动控制中的应用
艾亿谋, 杜成斌, 于国军
( 河海大学土木工程学院, 江苏南京 210098)
摘要: 研究压电材料在柔性悬臂梁结构振动控制中的应用, 采用压电有限元方法对压电智能梁的响
应进行了数值模拟, 在考虑压电片与悬臂梁之间相互耦合作用的基础上, 通过有限元软件 ABAQUS
数值模拟获得压电智能梁在简谐荷载下的响应, 并与有关试验结果进行对比来修正压电应变常数
及介电常数等参数. 通过数值算例对地震荷载作用下压电梁的振动响应进行了数值模拟, 结果表
明, 压电材料对柔性结构的振动控制效果显著, 最大控制效率能达到 45%左右.
关键词: 压电智能材料; 结构振动控制; 悬臂梁; 地震响应
中图分类号:TU323. 3;TP212. 6 文献标识码:A 文章编号: 1000O1980( 2007) 06O0695O04
地震和强风的作用严重威胁土木工程结构的安全. 随着结构控制科学、信息技术和材料科学的发展, 科
学家和工程师们从对自然界和生物进化的学习与思考中得到启示, 提出了力图从根本上提高工程结构整个
寿命期间安全性及减小灾害影响的一条崭新的思路, 即引入了智能结构系统的概念. 压电材料是众多智能材
料中运用得较为广泛的一种, 利用压电智能材料的正、逆压电效应, 即压电材料在外加电场作用下引起变形
与压电材料在变形下引起电场改变的特性, 将压电材料膜片黏附在结构表面或嵌入结构内部作为感应器和
驱动器来观测变形与实施变形控制, 与外界控制电路一起达到抑制外界干扰的目的.
1 压电智能材料的工作原理及本构方程
1. 1 压电材料简介
压电材料在一定温度环境中被电场极化后, 材料中的晶体以电场极化方向的晶粒为主, 但部分晶粒仍然
偏离电场极化方向, 从而存在剩余极化强度, 并以偶极矩的形式表现出来. 当对压电材料施加机械变形时, 剩
余极化强度将因材料的变形而发生变形, 引起材料内部正负电荷中心相对移动产生电极化, 从而导致材料 2
个表面上出现符号相反的束缚电荷, 电荷密度与外力成正比, 这种现象称为正压电效应. 正压电效应反映了
压电材料具有将机械能转化为电能的能力. 检测出压电元件上电荷的变化, 即可得知压电元件处的变形量,
利用压电材料的正压电效应, 可将其制成结构振动控制或结构健康监测中的智能传感器. 与此相反, 当在压
电材料上接通电流, 所有晶粒极化方向趋于电场方向, 造成压电元件内部正负电荷中心的相对位移, 导致压
电材料的变形, 这种现象称为逆压电效应. 逆压电效应反映了压电材料具有将电能转化为机械能的能力. 利
用压电材料的逆压电效应, 可将其制成结构振动控制中的智能驱动器.
压电材料在工程上的应用非常广泛, 可用来进行结构振动控制、结构健康监控、威胁预警、智能机翼以及
噪声控制等等. 在土木工程中, 可用来进行结构健康监测与诊断、结构灾害反应控制以及结构损伤智能修复
等等.
1. 2 压电材