lipca压电驱动执行器的性能研究.pdf

文档介绍：摘要
摘要
在所有涉及自适应结构、有源振动控制、MEMS 系统以及机器人的元件中，
执行器常被认为是限制其寿命和性能的关键因素，与其它执行器（包括磁致伸缩、
形状记忆合金等）相比，压电驱动执行器因具有体积小，响应快，驱动力大，驱
动功率低和工作频带宽等特点而备受瞩目。但压电驱动执行器具有输出位移量小
的缺点，因此发展一种微型化、重量轻、大位移且有一定承载能力的执行器，成
为压电驱动执行器发展的必然趋势。
本文介绍了一种新型压电驱动执行器——LIPCA，其具有质量小，单位质量
输出位移大，制造工艺简单等诸多优点。本文首先根据复合材料弹性力学和压电
学理论，阐述了 LIPCA 的工作原理，进而推导出影响 LIPCA 性能的关键设计参
数，即驱动力臂、抗弯刚度、穹顶高度和热残余应力。然后利用 VF 语言编写了
基于经典层合板理论数值计算的应用程序，对 3~6 层可能的 LIPCA 组合结构的关
键设计参数进行了理论计算，得出各关键设计参数对 LIPCA 性能的影响曲线。最
后选取了具有典型代表性的层合结构，利用有限元分析方法对 LIPCA 的静态和动
态性能进行了仿真模拟，重点分析了 LIPCA 的层数、层叠次序、压电陶瓷的长宽
比及厚度和热效应对 LIPCA 性能的影响，并和理论计算结果进行了详细的比较，
两者结果比较吻合。
本文的研究工作为 LIPCA 的设计、制造提供参考，也为下一步深入研究
LIPCA 的各项特性奠定了基础。

关键词：LIPCA 逆压电效应 执行器 有限元分析
Abstract
Abstract
The actuator used in the adaptive structures, active vibration control, MEMS
systems, and robot is usually regarded as the key factor in limiting the component
performance and lifespan. Compared with other actuators (including magnetostrictive,
shape memory alloys, etc.), piezoelectric actuator gets more attention because of its
advantages of smaller size, faster response, higher driving force, lower driving power
and wider frequency band. However, piezoelectric actuator has the shortcoming of
small output displacement, so the new novel piezoelectric actuators with mini-type,
light weight, large displacement and certain carrying capacity must been quickly
developed.
In this article，a new type of lightweight piezoelectric actuator, called LIPCA, is
proposed which has advantages of small quality, large output displacement per unit
mass and simple manufacturing process. According to the theory of elasticity and
piezo