考慮外部阻抗的壓電疊層作動器機電耦合模型

鄭繼周，張 艷，賀國華，侯加林

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 機電學院,山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室,山東 泰安 271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學 信息學院,山東 泰安 271018)

作為一種智能材料,壓電陶瓷已應用于很多場合,如微定位、精密加工、結構故障診斷、振動主動控制等。這主要歸功于其良好的動力學特性及其它特點,如結構緊湊、易于集成、無需維護以及較長的使用壽命等。

由于壓電效應,壓電片與主體結構結合后,二者之間呈現(xiàn)出明顯的機電耦合特性。針對這種特性,已有很多學者進行研究,并提出了很多數(shù)學模型,主要有靜態(tài)等效力模型[1]、有限元模型[2]和阻抗模型[3～5]等。與靜態(tài)法或者有限元法相比,基于阻抗的建模方法更適合于機電耦合系統(tǒng)建模,更能反映系統(tǒng)的物理本質(zhì)。這是因為,對于壓電驅(qū)動結構,作動器產(chǎn)生的力依賴于壓電元件和主體結構的阻抗特性。

壓電疊層作動器具有出力大、響應快、低電壓、作動能力強等優(yōu)點,適合于柔性結構振動控制。Flint等[6]應用阻抗法和轉換方程法研究了壓電疊層作動器的動力學特性。通過假設作動器外殼的阻抗遠大于壓電片和預緊彈簧的阻抗,從而得到固定-自由邊界條件。李俊寶等[7]利用力學等效原理建立了壓電主動構件的動力學模型。鄭凱等[8]實驗研究了預緊力對壓電疊層作動器性能的影響。Wang 等[9]設計了一種π型壓電疊層作動器,并應用熱-彈類比理論對振動主動控制系統(tǒng)進行建模。靳宏等[10]用阻抗測試法分析了壓電疊層作動器的動態(tài)特性。

受文獻[6]的啟發(fā),本文考慮了更具一般性的情況。在工程實際應用中,壓電疊層作動器往往用于梁、板以及桁架等柔性結構中。在這種情況下,作動器兩端的外部阻抗均為有限值。因此,采用兩端自由的桿來模擬壓電疊層作動器更符合實際情況。以壓電材料的本構關系和一維桿模型為基礎,推導了短路機械阻抗矩陣(包括原點阻抗和跨點阻抗)、電導納以及壓電疊層作動器兩端的轉換系數(shù)。利用這些參數(shù),構造了矩陣形式的轉換方程,并通過數(shù)值模擬驗證了模型的合理性。

1 壓電疊層作動器阻抗模型

1.1 作動器描述

圖1為壓電疊層作動器的結構示意圖。作動器由很多壓電片逐層疊放而成。各壓電片用粘性材料粘接在一起,兩片之間依次焊接有正負電極。這樣,各壓電片電壓相同,而作動器的位移是每片壓電片的位移之和。

為敘述方便,建立如圖1所示的直角坐標系。作動器的兩端分別處于z=0和z=tn位置。其中,t為壓電片的厚度(假設厚度一致),n為壓電片的層數(shù)。

圖1 壓電疊層作動器結構示意圖

圖2 作動器與外部結構的阻抗示意圖

1.2 短路機械阻抗

短路機械阻抗是壓電疊層作動器的機械屬性,這是因為在短路條件下電壓為零。這時作動器可以作為一個純機械系統(tǒng)來處理。對于大多數(shù)的壓電疊層作動器,只能承受軸向載荷。因此,本文只關注沿z方向的振動。粘接層和電極層的影響可通過改變壓電材料的彈性模量來體現(xiàn),因此不予考慮?；谶@些假設,作動器可以看成一根均質(zhì)連續(xù)的等截面直桿。

桿的縱向振動方程

(1)

其中:w為任意一點沿z方向的位移,c為波速:

(2)

分離變量,運動方程的解可表示成如下形式

w=(Asinλz+Bcosλz)ejωt

(3)

在文獻[6]中,通過假設剛性殼體而得到固定-自由邊界條件,從而B=0。然而,殼體往往由金屬片制成,厚度有限,其阻抗不可能為無窮大。同時,壓電疊層作動器通常會通過鉸鏈或者萬向節(jié)之類的隔離裝置與主體結構相連,以免在壓電片中產(chǎn)生彎矩而使其破碎。這些裝置一般體量不大,其阻抗也是有限值。考慮到這些實際情況,采用兩端自由邊界條件。

根據(jù)機械阻抗的定義,作動器兩端的軸向力與相應的速度可用下式描述

(4)

其中:負號表示正的位移(或者速度)產(chǎn)生壓縮力。

假設壓電片內(nèi)的應力均勻分布,則有:

(5)

其中:Tz、F分別為某個壓電片沿z方向的應力和力,Ap為壓電片的橫截面面積。

壓電材料的本構方程為[11]

(6)

(7)

根據(jù)彈性體的本構關系,應變也可寫成如下形式:

(8)

從方程(3)～(6)、(8)可解出未知量A和B

(9a)

(9b)

其中:Z11，Z12,Z22為作動器的機械阻抗

(10a)

(10b)

(10c)

其中:Z11，Z12分別為兩端自由條件下的原點阻抗和跨點阻抗；Z22為固定-自由條件下的原點阻抗。

從而得到壓電疊層作動器的短路機械阻抗矩陣[12]

(11)

顯然,在利用該式計算軸向力或者速度時,需要同時考慮原點阻抗和跨點阻抗。

式(9)既包括了作動器的阻抗又包括了外部阻抗,而且外部阻抗的值可以是有限值,也可以是無窮大,因此是一個通用表達式。未知量A和B與外部阻抗的取值密切相關,下面討論一些特殊情況。

工況1：作動器一端置于剛性地基上,另一端與柔性結構相連。在這種情況下,剛性基礎的阻抗為無窮大而柔性結構的阻抗為有限值。對于作動器,這實際上對應于固定-自由邊界條件。不妨假設Ze1=∞,代入式(9)可得

這正是文獻[6]給出的結果。在這種情況下,短路機械阻抗矩陣將退化成一個標量,即Z=Z22。

工況2：作動器未連接到任何結構,即Ze1=Ze2=0。顯然,這是理想的自由-自由邊界條件。此時有

工況3：作動器兩端均連接到一個剛性結構上。在這種兩端固定條件下,作動器不會有任何位移,即w≡0。因此,A=B=0。

可以看出,對于后面兩種情況,A、B中均未出現(xiàn)作動器的機械阻抗,這是因為不存在力或者速度。

1.3 電阻抗

在壓電疊層作動器中,壓電片逐層疊放,總位移是每片位移之和,即各壓電片為串聯(lián)關系。因此,推導機械阻抗時把作動器作為一根桿來處理。然而,施加于每片壓電片的電壓相同,即電學屬性為并聯(lián),因此需要分別處理?；诖丝紤],把式(7)寫成如下形式

(12)

式(6)對任意一片壓電片均成立。整理得

(13)

由式(3)、(8)可得第k層壓電片的平均應變

(14)

把式(14)代入式(13),再把結果代入式(12),有

(15)

利用下面的數(shù)學公式(式(16)),上式可簡化為

(16a)

(16b)

(17)

一般情況下,流經(jīng)壓電片的電流密度只取決于壓電片沿z方向的位置,而與坐標x、y無關。因此,流經(jīng)壓電片的電流(電流密度在壓電片表面的積分)為

(18)

把式(9)代入式(17)和(18),可得作動器的電導納,即電流與所施加電壓之比

(19)

此式也是一個通用表達式,同時包含了作動器和外部結構的阻抗。根據(jù)外部阻抗的取值,對三種特殊情況進行類似的討論。

工況1：Ze1=∞,Ze2為有限值。電導納為

(20a)

與文獻[6]在固定-自由條件下得到的表達式完全相同。

工況2：Ze1=Ze2=0。這種情況下得到的為自由電導納

工況3：作動器兩端固定,即外部結構的阻抗為無窮大?？梢缘玫姐Q制電導納

(20c)

如果只考慮一片壓電片,即n=1,則式(20)可進一步簡化。為便于比較,引入兩個常用的定義式

其中:C為壓電片的電容,k33為壓電片的機電耦合系數(shù)。

利用這兩個定義,式(20)可以寫成

(21a)

(21b)

(21c)

這三個表達式均與壓電理論基本公式[11]一致。而且,當ω→0時,tanλt/λt→1,式(21a)可簡化成

這恰好就是準靜態(tài)條件下壓電片的電導納,Liang等[3]，Giurgiutiu等[13]都描述或利用過這一公式。因此,式(19)可以看作是這些結果的通用表示。通過改變其中的參數(shù)可以揭示一些重要的現(xiàn)象或者事實。

根據(jù)阻抗的定義,即導納的逆或者倒數(shù),可以得到壓電疊層作動器的電阻抗

(22)

1.4 轉換系數(shù)

把式(9)代入式(3),并利用關系式E=U/t,可得

(23a)

(23b)

其中:φ1、φ2分別為作動器兩端的轉換系數(shù)。

一般情況下,作動器兩端的速度均不為零,因此這兩個轉換系數(shù)都存在。這樣,我們可以得到向量形式的轉換系數(shù):

(24)

式(23)也包含外部阻抗。同樣討論三種特殊情況。

工況1：Ze1=∞,Ze2為有限值。有

該式說明,在作動器的固定端,由于端面固定,即使有電壓輸入,位移和速度也為零。因此轉換系數(shù)為零。同樣地,在文獻[6]中也給出了相同的結果。

工況2：Ze1=Ze2=0。對于這種情況,有

實際上,兩個外部阻抗不管取何值(零或者非零),只要滿足Ze1=Ze2,就可以得到φ2=-φ1的結論。根據(jù)前面的敘述可知,壓電疊層作動器在z方向是對稱的,如果外部阻抗相等,那么兩端的約束條件也是對稱的。這樣,作動器在電場作用下的變形也是對稱的,即兩端的速度等值反向。所以φ2=-φ1。

工況3：作動器兩端固定。這時作動器兩端的位移和速度均為零,因此轉換系數(shù)也為零。

1.5 轉換方程

如前所述,壓電元件與主體結構之間由于壓電效應而相互耦合。在研究機電耦合特性方面,轉換方程是比較有效的。轉換方程有多種表達形式,下面的互易形式是最方便的[11]

(25)

(26)

機械阻抗、電阻抗以及轉換系數(shù)的表達式在前面各節(jié)中已經(jīng)給出。剩下的四個變量中,如果已經(jīng)知道兩個,比如已知力和電壓,則通過這兩個方程可求出另外兩個變量。應該指出,力和速度一般情況下是包含兩個元素的向量,因此式(25)實際上是矩陣方程。

值得一提的是,前面所有的推導都是針對壓電疊層作動器本身的。封裝壓電片所用的殼體、預緊彈簧、輸出桿以及被控結構等外部結構所產(chǎn)生的影響都包含在外部阻抗中。對于一個具體的作動器,可以根據(jù)這些結構的連接形式,利用下述公式得到外部阻抗

其中:Z為總阻抗,Zi為每個子結構的阻抗。這兩個公式分別用于并聯(lián)和串聯(lián)。

2 數(shù)值模擬

為驗證模型的正確性,并研究外部阻抗對這些參數(shù)的影響,以上述公式為基礎,進行了數(shù)值模擬。為便于比較,選用文獻[6]中使用的材料屬性,列于表1中。

表1 壓電作動器材料屬性[6]

圖3所示為壓電疊層作動器的機械阻抗隨頻率的變化曲線?？梢钥闯?隨著頻率的增加,不同邊界條件下的原點阻抗表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。兩條曲線關于某條水平線對稱。在某一頻率上,一個(兩端自由情況)處于反共振狀態(tài),而另一個(固定-自由情況)則處于共振狀態(tài)。這一點亦可從式(10)得出,即當Z11=0時，Z22→∞,反之亦然。至于兩端自由條件下的跨點阻抗,其幅值隨頻率的變化則不像這兩個阻抗那么劇烈,在圖示頻率范圍內(nèi),既沒有共振也沒有反共振。

圖4給出的是外部阻抗對電阻抗的影響。圖例中的數(shù)值為外部阻抗之比,即Ze1/Ze2。圖5和圖6中圖例與此相同。當兩個外部阻抗恰好相等時,在較高的頻率(大約10 kHz)處出現(xiàn)共振。然而,如果兩個阻抗不相等,第一階共振頻率則急劇降低,而且在圖示頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個共振頻率。隨著阻抗比的增大,這兩個共振頻率相互靠近。當一個阻抗遠遠大于另外一個時,兩個共振頻率合并為一個。這時的曲線(圖中的實線)與文獻[6]中所描述的完全一致。

圖3 機械阻抗的幅值隨頻率的變化

圖4 電阻抗的幅值隨頻率的變化

如前所述,壓電疊層作動器為對稱結構,若外部阻抗也相同,則作動器的變形是對稱的,即作動器中部將保持靜止不動。這時,整個作動器可看成是由兩個具有固定-自由邊界的作動器以背靠背的方式串聯(lián)而成。而當兩個外部阻抗相差非常大時,則是整個作動器兩端的約束為固定-自由條件,因此在較低的頻率(大約6 kHz)處出現(xiàn)共振。

從圖5中可以看出,外部阻抗對轉換系數(shù)φ2有類似的影響。當兩個阻抗相等時,共振頻率較高；二者不等時,在較低頻率出現(xiàn)兩個共振頻率。隨著阻抗比的增大,兩個共振頻率互相靠近,最終合并成一個。不過,轉換系數(shù)與電阻抗隨頻率的總體變化趨勢不同——隨著頻率增加,電阻抗基本上是減小的,而轉換系數(shù)基本上是增大的。

圖5 轉換系數(shù)φ2的幅值隨頻率的變化

圖6 轉換系數(shù)φ1的幅值隨頻率的變化

對比圖6和圖5,可以發(fā)現(xiàn)轉換系數(shù)φ1隨頻率的變化與φ2類似,但有兩點明顯的不同。首先,較低的共振頻率隨阻抗比的增大而增大,但第一階反共振頻率卻保持不變。其次,隨著阻抗比的增大,轉換系數(shù)φ1迅速減小。這就意味著當外部阻抗足夠大時,此處的位移和速度將非常小,可近似為固定邊界條件。

3 結 論

以阻抗法為基礎,采用更接近于實際的兩端自由桿的縱向振動方程,建立了壓電疊層作動器的機電耦合模型。在短路機械阻抗矩陣中,不僅包括了原點阻抗,還考慮了兩端之間的跨點阻抗。與之相適應,作動器兩端的轉換系數(shù)也以向量的形式給出。同時推導出更具一般意義的電阻抗表達式。以這些參數(shù)為基礎,構建了矩陣形式的轉換方程。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)不同邊界條件下的短路機械阻抗表現(xiàn)出不同的特點。原點阻抗與跨點阻抗的特點也不同。

(2)作動器兩端的外部阻抗對電阻抗和轉換系數(shù)有重要影響。當兩個外部阻抗相同或者差別非常大時,作動器兩端的邊界條件可視為固定-自由條件。此時,短路機械阻抗、電阻抗和轉換系數(shù)的表達式可大大簡化。其它情況則需考慮外部阻抗的影響。

(3)作動器兩端的轉換系數(shù)不同。如果某端的外部阻抗足夠大,該處的轉換系數(shù)則會接近于零。

(4)本文開發(fā)的模型可用于振動主動控制以及其它應用,相關研究將在后續(xù)論文中討論。

[1]Crawley E F，Deluis J.Use of piezoelectric actuators as elements of intelligent structures[J].AIAA Journal，1987,25(10):1373-1385.

[2]Ha S K,Chang F K,Keilers C.Finite element analysis of composite structures containing distributed piezoceramic sensors and actuators [J].1992，AIAA Journal，30(3): 772-780.

[3]Liang C，Sun F P，Rogers C A.An impedance method for dynamic analysis of active material system [J].Journal of Vibration and Acoustics，1994，116(1):121-128.

[4]Cheng C C，Wang P W.Applications of the impedance method on multiple piezoelectric actuators driven structures [J].Journal of Vibration and Acoustics，2001，123(2)，262-268.

[5]Annamdas V G M，Soh C K.Three-dimensional electromechanical impedance model: formulation of directional sum impedance[J].Journal of Aerospace Engineering，2007，20(1)，53-62.

[6]Flint E M，Liang C，Rogers C A.Electro-dynamic transduction equations for piezoelectric stack actuator[C].// International Mechanical Engineering Congress and Exposition，Chicago，November,1994，45:201-210.

[7]李俊寶，呂剛.智能桁架結構振動控制中壓電主動構件的研究: (三)壓電主動構件動力學建模[J].壓電與聲光,1998，20(4):237-241.

LI Jun-bao，Lü Gang.Research on piezoelectric active member in vibration control of intelligent truss structure: (3)dynamic modeling of piezoelectric active member[J].Piezoelectrics & Acoustooptics,1998，20(4):237-241.

[8]鄭凱,閻紹澤,溫詩鑄,等.預壓力對壓電疊層作動器性能的影響 [J].壓電與聲光，2003，25(5): 363-365.

ZHENG Kai，YAN Shao-ze，WEN Shi-zhu，et al.Influence of preload on the piezoelectric for piezoelectric stack actuator[J].Piezoelectric & Acoustooptics，2003，25(5): 363-365.

[9]Wang W，Yang Z C.A compact piezoelectric stack actuator and its simulation in vibration control [J].Tsinghua Science and Technology，2009，14(S2): 43-48.

[10]靳宏,金龍,徐志科,等.壓電疊堆位移放大致動器的動態(tài)特性[J].振動與沖擊，2012，31(21): 146-151.

JIN Hong，JIN Long，XU Zhi-ke，et al.Dynamic characteristics of a piezoelectric-stack displacement-amplifying actuator [J].Journal of Vibration and Shock，2012，31(21): 146-151.

[11]Ikeda T.Fundamentals of piezoelectricity[M].London: Oxford University Press，1990.

[12]Bishop R E D，Johnson D C.The mechanics of vibration[M].London: Cambridge University Press，2011.

[13]Giurgiutiu V，Anderi N Z.Embedded self-sensing piezoelectric active sensors for on-line structural identification[J].Journal of Vibration and Acoustics，2002，124(1): 116-125.