壓電結(jié)構(gòu)的案例
基于ABAQUS的交流電驅(qū)動(dòng)下壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元分析
壓電材料（PZT）具有正逆壓電效應(yīng)，即當(dāng)壓電材料受到機(jī)械變形時(shí)有產(chǎn)生電勢(shì)的能力；對(duì)它施加電壓時(shí)有改變壓電結(jié)構(gòu)形狀的能力。此外，PZT因其測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、精密測(cè)量、信息通訊和土木工程等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
一、PZT的本構(gòu)模型
根據(jù)Zhou等人的研究，壓電材料第一種形式的本構(gòu)方程為：
對(duì)于三維正交各向異性結(jié)構(gòu)，其剛度系數(shù)矩陣、壓電系數(shù)矩陣、介電系數(shù)矩陣如下所示，本構(gòu)方程寫(xiě)成矩陣形式：
二、交流電驅(qū)動(dòng)的壓電結(jié)構(gòu)有限元仿真
1.應(yīng)用背景簡(jiǎn)介
以面向變體機(jī)翼應(yīng)用的壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示，變形所需的機(jī)械能由每個(gè)機(jī)翼上的三組壓電元件提供。這些驅(qū)動(dòng)器沿翼展均勻分布，以實(shí)現(xiàn)沿翼展撓度幅值的主動(dòng)控制。壓電元件除了為機(jī)翼的變形提供機(jī)械能外，還增加了整體結(jié)構(gòu)的剛度，提高了承載能力。
2.有限元模型建立
將上述變體機(jī)翼進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立圖2所示的壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元模型，單位制采用m-kg-N-s。基體選用金屬矩形板，彈性模量為70GPa，泊松比為0.3，尺寸為1×0.2×0.02(m)，選擇進(jìn)行C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；壓電片材料選用PZT-5，采用上述壓電本構(gòu)模型，尺寸為0.1×0.1×0.01(m)。
3.邊界條件設(shè)置
邊界條件為基體板左側(cè)固定端約束，右端自由，壓電片上下表面施加5個(gè)周期的220V正弦交流電，如圖3所示。定義分析步，打開(kāi)幾何非線性開(kāi)關(guān)，設(shè)置步長(zhǎng)為100s，每間隔1s輸出一組結(jié)果，采用動(dòng)力學(xué)隱式求解方法。
4.計(jì)算結(jié)果
通過(guò)ABAQUS有限元計(jì)算可以得到壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)的正弦振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，如圖4所示，動(dòng)態(tài)圖展示了壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)在交流電作用下動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。
展開(kāi) 濟(jì)南大學(xué)Nano Energy：基于Ag /（K，Na）NbO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能壓電復(fù)合發(fā)電機(jī)
具有Ag / KNN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的p-NG器件可分別產(chǎn)生超高的~240 V開(kāi)路電壓和?23μA的短路電流，遠(yuǎn)高于純KNN顆粒嵌入式p-NG器件（? 3.5 V和0.3μA）。
【引言】
由于ZnO納米線壓電納米發(fā)生器（p-NG）于2006年提出，壓電能量收集技術(shù)因其將小規(guī)模機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的能力引起了人們的極大關(guān)注。在隨后的幾十年中，許多壓電半導(dǎo)體納米陣列作為納米級(jí)自給電源被開(kāi)發(fā)出來(lái)，從而推動(dòng)了集成微/納電子學(xué)的發(fā)展。為了更廣泛和有效地利用環(huán)境不規(guī)則的機(jī)械能源，柔性p-NG通過(guò)將無(wú)機(jī)壓電材料分散到適合的聚合物。為了進(jìn)一步提高p-NG器件的輸出性能，選擇了具有優(yōu)良壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的各種鈣鈦礦材料加入到有機(jī)物體系中，與排列的單晶納米線陣列相比，柔性復(fù)合材料p-NG器件可以通過(guò)機(jī)械攪拌混合壓電顆粒和聚合物而制得，因此制備方法簡(jiǎn)單。。
然而，由于無(wú)機(jī)壓電顆粒的極化不充分，導(dǎo)致p-NG器件只能產(chǎn)生納安級(jí)的電流。在整個(gè)結(jié)構(gòu)的極化過(guò)程中，由于聚合物基體內(nèi)顆粒的均勻分布和絕緣聚合物的高電阻，導(dǎo)致施加在壓電顆粒的電壓受到限制。因此，所有壓電顆粒的自發(fā)極化重新定向的程度相當(dāng)?shù)汀ＴS多研究人員已經(jīng)證明，沒(méi)有極化的的壓電顆粒很難在機(jī)械應(yīng)力下產(chǎn)生電能，因此復(fù)合壓電發(fā)電機(jī)的壓電勢(shì)非常低。
為了提高無(wú)機(jī)壓電顆粒的極化電壓和極化程度，一些導(dǎo)電納米材料，如還原氧化石墨烯，單壁或多壁碳納米管（SW / MW-CNTs）Cu納米棒和Ag納米線，添加到壓電復(fù)合材料中。除了作為分散劑和應(yīng)力傳輸介質(zhì)外，這些一維導(dǎo)電介質(zhì)可以提供更多的導(dǎo)電通道，從而提升施加到無(wú)機(jī)顆粒上的極化分壓。從而提高p-NG器件的輸出電流。然而，由于有機(jī)物的流動(dòng)性，很難建立一維導(dǎo)電介質(zhì)和壓電顆粒之間的電耦合，這會(huì)阻止無(wú)機(jī)壓電顆粒的極化電壓的進(jìn)一步提高。因此。輸出功率仍然受到影響，這在很大程度上限制了納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用。
展開(kāi) 西南交大楊維清Nano Energy：一種基于獨(dú)特豇豆結(jié)構(gòu)CPZNs的柔性自供電壓電傳感器
然而，傳統(tǒng)的基于壓電PZT和AlN的壓力傳感器由于制造溫度高、固有的脆性難以實(shí)現(xiàn)彎曲測(cè)量，與柔性襯底不兼容。聚合物基壓電傳感器，如聚偏氟乙烯(PVDF)具有良好的靈活性，但它們壓電性能差所制得的器件靈敏度低。目前關(guān)于彎曲檢測(cè)的報(bào)道多為定性測(cè)量，僅判斷是否存在彎曲，但對(duì)彎曲角度的定量檢測(cè)較少。因此，在iHMI中實(shí)現(xiàn)具有自驅(qū)動(dòng)能力的彎曲角度的定量測(cè)量仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，西南交通大學(xué)楊維清教授團(tuán)隊(duì)的青年教師鄧維禮和研究生楊濤，利用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建了一種基于獨(dú)特豇豆結(jié)構(gòu)CPZNs的柔性自供電壓電傳感器(PES)，定量測(cè)量了其彎曲角度，并成功演示了PES在iHMI手勢(shì)遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用。由于混合PVDF/ZnO的協(xié)同壓電效應(yīng)和聚合物的柔韌性，該P(yáng)ES表現(xiàn)出優(yōu)異的彎曲靈敏度（4.4mV deg-1），角度范圍從44°到122°，快速響應(yīng)時(shí)間為76ms，并且具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。此外，PES可在彎曲和按壓模式下工作，顯示0.33 V kPa-1的超高壓力靈敏度，響應(yīng)時(shí)間為16 ms。當(dāng)集成在iHMI中時(shí)，PES可以在不同的曲面上適應(yīng)性地覆蓋，展示精確的彎曲角度記錄和快速識(shí)別，以實(shí)現(xiàn)智能化人機(jī)交互。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)與人手同步動(dòng)作的方式成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用。這種基于CPZNs的自供電PES在結(jié)構(gòu)和基本機(jī)制上是獨(dú)特的，并且在iHMI中具有巨大的潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Cowpea-structured PVDF/ZnO Nanofibers Based Flexible Self-powered Piezoelectric Bending Motion Sensor Towards Remote Control of Gestures”發(fā)表于Nano Energy期刊上，鄧維禮和楊濤為共同一作。
展開(kāi) 堪比蟑螂！清華《Science》子刊：實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性的靈活柔性機(jī)器人
柔性微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。圖A：柔性微型機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)；圖B：靜電足墊結(jié)構(gòu)；圖C：摩擦力控制原理。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院先進(jìn)制造學(xué)部張旻、王曉浩團(tuán)隊(duì)和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校林立偉團(tuán)隊(duì)合作，在前期柔性機(jī)器人壓電諧振高效驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，提出了利用靜電調(diào)控摩擦力實(shí)現(xiàn)柔性微型機(jī)器人高速轉(zhuǎn)向控制的方法。機(jī)器人全長(zhǎng)30mm，由柔性單晶壓電結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)在機(jī)器人足部添加靜電足墊和機(jī)器人4自由度模型設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與靜電吸附協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了482o/s的轉(zhuǎn)向速度和28身長(zhǎng)/s2的轉(zhuǎn)向加速度，達(dá)到了已報(bào)道微型機(jī)器人的最高轉(zhuǎn)向速度，與蟑螂等陸地節(jié)肢動(dòng)物相當(dāng)。此外，機(jī)器人可在5.6秒內(nèi)通過(guò)總長(zhǎng)1.2m的迷宮路徑。
在此基礎(chǔ)上，為了擺脫電纜的束縛，通過(guò)優(yōu)化負(fù)載結(jié)構(gòu)，機(jī)器人進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。通過(guò)攜帶的控制電路、電池、傳感器等，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)尋跡和軌跡控制。
機(jī)器人執(zhí)行不同任務(wù)演示圖。圖A：拖纜機(jī)器人在5.6秒內(nèi)通過(guò)1.2m長(zhǎng)的迷宮軌道；圖B：拖纜機(jī)器人攜帶氣體傳感器記錄VOC濃度分布；圖C：無(wú)纜機(jī)器人行走“S”形軌跡。
相關(guān)成果近日以“基于靜電足墊的高機(jī)動(dòng)性昆蟲(chóng)尺寸柔性機(jī)器人軌跡控制”（Electrostatic footpads enable agile insect-scale soft robots with trajectory control）為題發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人》（Science Robotics）上，這是該團(tuán)隊(duì)第二次在《科學(xué)·機(jī)器人》上發(fā)表延續(xù)性工作。
展開(kāi) 
上海交大超柔性納米發(fā)電復(fù)合材料
壓電納米發(fā)電機(jī)由于其高效的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，重量輕，響應(yīng)快而成為研究熱點(diǎn)。壓電陶瓷及單晶具有超高的壓電效應(yīng)，但由于其本身的剛性和脆性所以并不能滿(mǎn)足柔性和可穿戴電子設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。雖然有很多研究將壓電陶瓷粉體和聚合物進(jìn)行混合可以獲得超柔性，但是非連續(xù)相的壓電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致低的能量收集效率。通過(guò)沉積壓電薄膜再轉(zhuǎn)移到柔性基底上雖然能夠保持很好的能量收集和保持一定的柔性，但是其工藝復(fù)雜、成本高不利于商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。因此設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出一種超柔性且能高效地進(jìn)行能量收集并可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的壓電納米發(fā)電材料顯得尤為重要和具有挑戰(zhàn)性。
本研究提出利用具有層次結(jié)構(gòu)的電子級(jí)玻璃纖維布材料體系為基底，通過(guò)浸漬的方法在其上沉積具有層次結(jié)構(gòu)的納米壓電發(fā)電材料。在所制備的壓電纖維布復(fù)合材料中，每根纖維表面都包裹了一層納米級(jí)厚度的PZT材料，每根纖維之間的PZT之間互相連接，形成了一種類(lèi)似于玻璃纖維布的多層次結(jié)構(gòu)。電子級(jí)玻璃纖維布本身所具有的宏觀超柔性和微觀剛性給予了這種壓電纖維布具有高效的能量傳遞、轉(zhuǎn)換以及超柔性。而且這種壓電纖維布可以實(shí)現(xiàn)插指電極掩膜設(shè)計(jì)和上下柔性電極貼合封裝設(shè)計(jì)。比如，一塊3.5cm×1.5cm大小的納米壓電纖維布利用插指電極在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下能夠產(chǎn)生～60 V和～500 nA的輸出。一個(gè)8cm×8cm大小的納米壓電纖維布利用超柔性的導(dǎo)電聚乙烯碳膜作為上下電極在模擬人體運(yùn)動(dòng)的情況下能夠輕易點(diǎn)亮20個(gè)商用綠色LED燈。
同時(shí)，利用玻璃纖維布的微觀剛性，首次發(fā)現(xiàn)壓電納米發(fā)電機(jī)的形變與信號(hào)輸出之間呈線性關(guān)系，可望在柔性傳感領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。另外在這種多層級(jí)結(jié)構(gòu)的玻璃纖維布基底上沉積寬光譜吸收高壓電活性壓電材料還有望能夠同時(shí)收集光能、熱能和機(jī)械能。這項(xiàng)工作為制造高性能，超柔性，低成本的納米發(fā)電機(jī)及柔性傳感器提供了新的視角，可望在柔性可穿戴設(shè)備領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
展開(kāi) 鄭小雨團(tuán)隊(duì)突破晶格局限3D打印壓電智能材料
他們的設(shè)計(jì)方案正來(lái)源于利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的晶格原理并打破晶格的局限性，通過(guò)三維幾何構(gòu)型在二維投影面的投影的分布，巧妙的設(shè)計(jì)出在各個(gè)方向具有不同壓電輸出的人工壓感結(jié)構(gòu) (圖1)。該設(shè)計(jì)理念巧妙的聯(lián)想于人們熟悉的影子木偶游戲。 該單元人工晶格結(jié)構(gòu)，通過(guò)排列組合，構(gòu)成了三維桁架式立體結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)計(jì)和機(jī)電耦合有限元計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在三個(gè)坐標(biāo)方向上具有不同的對(duì)稱(chēng)性從而產(chǎn)生任意壓電系數(shù)空間方向張量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超過(guò)晶體本身的對(duì)稱(chēng)分布。他們通過(guò)使用不同連接度的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行組合， 還可使一完整結(jié)構(gòu)同時(shí)具有不同的剛度和強(qiáng)度特性，實(shí)現(xiàn)力電多功能壓電耦合材料。
圖1（a）
圖1（b）
圖1 三維投影法實(shí)現(xiàn)壓電張量方向設(shè)計(jì)
圖2: 高靈敏度壓電材料的合成及增材制造
1 多功能柔性可穿戴智能材料
通過(guò)電壓激活后，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造出了一系列新型智能材料。該三維材料可具有任意形狀，任意內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元和材料本身任意部位均具有壓電感應(yīng)功能，無(wú)需任何附加傳感器即可實(shí)現(xiàn)電壓輸出。 該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了該材料的多種潛在應(yīng)用，他們做出了柔性壓電材料，將材料附著在任意曲面上探測(cè)壓力，將材料打印成指環(huán)感應(yīng)手指彎曲力。 同時(shí)他們打印出輕質(zhì)，堅(jiān)硬的吸能材料，該壓電材料可實(shí)時(shí)探測(cè)到表面受到的沖擊同時(shí)將吸入的能量實(shí)時(shí)檢測(cè)出。
圖3: 可穿戴柔性壓電材料實(shí)時(shí)自行探測(cè)動(dòng)態(tài)壓力
2 自感應(yīng)吸能材料及護(hù)甲
由于這種智能材料各個(gè)部位均具有壓電感應(yīng)，其打印制成的三維結(jié)構(gòu)將無(wú)需任何附加傳感器，并探測(cè)出任意位置的壓力或震動(dòng)。
展開(kāi) 高速通信系統(tǒng)中可調(diào)諧濾波器的高保真建模
您可以對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行建模，并擴(kuò)展模型，以此涵蓋其他在實(shí)驗(yàn)室中不易測(cè)得的物理現(xiàn)象，例如對(duì)材料性能的熱效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)變形。可通過(guò)使用相同的仿真環(huán)境和工作流程，進(jìn)而有效地仿真您想要涵蓋的所有物理場(chǎng)。
來(lái)源：COMSOL
壓電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片的模擬 ￥20
壓電性——指的是發(fā)生在壓電材料結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)之間的耦合屬性。對(duì)壓電材料施加電壓可以使其產(chǎn)生位移，同時(shí)振動(dòng)壓電材料可以產(chǎn)生電壓。
壓電耦合是一些單晶體的自然特性，如：石英、鐵電陶瓷（PZT）、壓電聚合物（PVDF）。直接的壓電耦合可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，而反壓電耦合則是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
在壓電分析中，結(jié)構(gòu)場(chǎng)和準(zhǔn)靜電場(chǎng)通過(guò)壓電常數(shù)耦合。
問(wèn)題描述
一壓電驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)如下，分析其模態(tài)及在115伏60Hz下的響應(yīng)。
壓電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片真實(shí)模型
壓電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片幾何模型
模態(tài)分析
設(shè)置各個(gè)部件的材料屬性，尤其壓電材料。在Engineering Data中，創(chuàng)建新的材料命名為“Piezo”，密度輸入為7500kg m^-3，以表格的形式輸入壓電材料的各向異性彈性模量。
對(duì)兩塊壓電晶片零件賦予Piezo材料屬性，同時(shí)在Piezo2 body頂部上建議一個(gè)y軸反轉(zhuǎn)的局部坐標(biāo)系作為壓電極化方向。
設(shè)置面尺寸及體尺寸，網(wǎng)格劃分如下：
在分析設(shè)置明細(xì)中Options的Max Modes to Find輸入3，其余保持默認(rèn)；FR4板上的兩圓孔面施加固定約束。
插入Piezoelectric Body對(duì)兩壓電晶片零件添加壓電屬性如下：
插入Voltage對(duì)下面的壓電晶片底部添加0電壓值；同時(shí)對(duì)兩壓電晶片零件的接觸面添加Voltage Coupling。
展開(kāi) ABAQUS單層壓電片與多層壓電片的數(shù)值分析
abaqus壓電分析的簡(jiǎn)單例子
單層壓電片與多層壓電片的數(shù)值分析.pdf
壓電片結(jié)構(gòu).rar
ABAQUS單層壓電片與多層壓電片的數(shù)值分析
abaqus壓電分析的簡(jiǎn)單例子
單層壓電片與多層壓電片的數(shù)值分析.pdf
壓電片結(jié)構(gòu).rar
COMSOL通用多物理場(chǎng)耦合仿真核心技術(shù)應(yīng)用與案例實(shí)戰(zhàn)在線培訓(xùn)班
七、COMSOL仿真（MEMS微機(jī)電）
壓電效應(yīng)
1、三維、二維或軸對(duì)稱(chēng)體的一般結(jié)構(gòu)分析；
2、二維模式下的使用平面應(yīng)力或平面應(yīng)變的假設(shè)，分析求解 Navier 方程組為基礎(chǔ)，計(jì)算位移、應(yīng)力和應(yīng)變等結(jié)果；3、固體力學(xué)全耦合分析計(jì)算；
（壓電材料本構(gòu)關(guān)系的難點(diǎn)、正/逆壓電效應(yīng)建模與分析，雙向耦合及其關(guān)鍵設(shè)置）
流固耦合
1、焦耳熱和熱膨脹；2、壓電裝置激發(fā)結(jié)構(gòu)震動(dòng)變形；
3、結(jié)構(gòu)變形影響流體的流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)格描述空間拓?fù)渥兓?4、流固耦合要點(diǎn)與分析計(jì)算(流體流動(dòng)耦合結(jié)構(gòu)力學(xué))；
5、壓電—結(jié)構(gòu)—流體-移動(dòng)網(wǎng)格全耦合分析；
聲波測(cè)井
1、壓電裝置發(fā)射聲波和接受聲波； 2、正/逆壓電計(jì)算分析；
3、壓電—結(jié)構(gòu)—聲三者相互作用全耦合分析；
八、COMSOL典型算例分析
實(shí)例分享
1、COMSOL在流動(dòng)與傳熱分析中的應(yīng)用實(shí)例分析
2、COMSOL在光電領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例分析
3、COMSOL在力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例分析
4、COMSOL在電氣領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例分析
5、COMSOL在化工領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例分析
6、COMSOL在流固耦合領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例分析
7、COMSOL在電化領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例分析
8、學(xué)員關(guān)注的其他實(shí)例，可補(bǔ)充。
九、討論
答疑與學(xué)習(xí)平臺(tái)（建立QQ群、微信群（課后免費(fèi)技術(shù)指導(dǎo)）
1、講解COMSOL和Matlab聯(lián)合仿真案例
2、可根據(jù)學(xué)員需要補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容，如MEMS，揚(yáng)聲器，流固耦合，變壓器，無(wú)損檢測(cè)，聲子晶體，微納光學(xué)，光波導(dǎo)，光柵，超材料,電池等內(nèi)容。
展開(kāi) 
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料
設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料
設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告 ￥19.89
壓電效應(yīng)的內(nèi)在的原理是擁有非對(duì)稱(chēng)中心的晶體材料在機(jī)械力的作用下發(fā)生變形而引起正負(fù)電荷的相對(duì)移動(dòng)而導(dǎo)致總的電偶極矩改變，這就是正的壓電效應(yīng)。此時(shí)，晶體材料表面帶有不同極性的電荷，其電荷密度與機(jī)械力成一定的比例關(guān)系。將壓電材料粘貼于板殼等結(jié)構(gòu)表面或置入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過(guò)測(cè)量壓電材料隨著結(jié)構(gòu)的機(jī)械變形而產(chǎn)生的電荷量，可以推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)。這種能夠精確反應(yīng)結(jié)構(gòu)變形的能力被研發(fā)成壓電傳感器而廣泛應(yīng)用。反而，逆壓電效應(yīng)是給壓電材料施加電場(chǎng)后，材料內(nèi)部正負(fù)電荷中心也會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，使得壓電材料產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形，其變形程度也與外加電場(chǎng)成一定比例關(guān)系。如果給粘貼于板殼結(jié)構(gòu)上的壓電材料施加一定的電壓，可以達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的規(guī)律變形和動(dòng)作，比如進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制研究，從而被制備成壓電驅(qū)動(dòng)器。優(yōu)良的性能使得壓電纖維復(fù)合材料(MFC)集傳感器和驅(qū)動(dòng)器于一身。
3.2壓電纖維復(fù)合材料的本構(gòu)方程
壓電纖維復(fù)合材料是由壓電纖維和樹(shù)脂基體組成，在機(jī)械力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，這是壓電材料力學(xué)行為的表現(xiàn)。如果變形符合小變形條件，則應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系遵循彈性材料本構(gòu)。此外，壓電纖維復(fù)合材料的特殊的行為主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:當(dāng)受到機(jī)械力作用時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，壓電效應(yīng)使材料不同表面的正負(fù)電荷積累而產(chǎn)生電位移;當(dāng)施加一定強(qiáng)度的電場(chǎng)時(shí)，在反壓電效應(yīng)的作用下，材料的機(jī)械變形會(huì)產(chǎn)生電應(yīng)變?；?em>壓電纖維復(fù)合材料的力學(xué)和電學(xué)特性，建立了壓電纖維復(fù)合材料的本構(gòu)方程。
壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變決定于外加的機(jī)械力、電場(chǎng)強(qiáng)度及材料的本質(zhì)特性(剛度、壓電性)。
(3-1)
式中為彈性柔度系數(shù)，單位為，由彈性材料的對(duì)稱(chēng)性可得：。其中下表i表示壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變方向，下標(biāo)j表示所受應(yīng)力的方向，上標(biāo)E表示外加電場(chǎng)恒定時(shí)彈性柔度系數(shù)。為壓電應(yīng)變常數(shù)，單位為C/Pa。其中下標(biāo)i表示外加電場(chǎng)的方向，下標(biāo)j表示電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)變的方向。
展開(kāi) [可靠性領(lǐng)域]安偉光！
著作
隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)（專(zhuān)著），得到國(guó)防科工委“十五”專(zhuān)著基金項(xiàng)目支持，2005年出版
3.發(fā)表文章
1）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)靜強(qiáng)度和疲勞的失效機(jī)理及可靠性分析，力學(xué)學(xué)報(bào) 2005（5）
2）隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué) 2005（10）（EI收錄）
3）不完整結(jié)構(gòu)系統(tǒng)同時(shí)考慮強(qiáng)度和剛度的可靠性分析，工程力學(xué)
（EI收錄）2005（4）
4）綜合考慮隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)靜強(qiáng)度和疲勞的失效機(jī)理與可靠性分析
航空學(xué)報(bào) 2005（6）
5）復(fù)合材料層合板的可靠性分析方法，宇航學(xué)報(bào) 2005（5）（EI收錄）
6）自適應(yīng)免疫遺傳算法，應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào) 2005（3）
7）梁板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵問(wèn)題研究，宇航學(xué)報(bào) 2003（6）（EI收錄）
8）不完整結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度的可靠性分析，宇航學(xué)報(bào) 2003（6）（EI收錄）
9）具有多隨機(jī)參數(shù)的壓電桁架結(jié)構(gòu)可靠性的初探，兵工學(xué)報(bào) 2006（1）
其他獎(jiǎng)勵(lì)
在培養(yǎng)研究生工作中，指導(dǎo)的碩士論文獲2004年度第三屆黑龍江省優(yōu)秀碩士論文獎(jiǎng)
展開(kāi) MARC非線性有限元分析軟件：功能詳解與多行業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用
高效的多物理場(chǎng)耦合分析
熱-力耦合：精準(zhǔn)分析溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的相互影響
流-固耦合：模擬流體與結(jié)構(gòu)的相互作用
電-熱-力耦合：適用于電子設(shè)備、電池等領(lǐng)域的多場(chǎng)分析
壓電-結(jié)構(gòu)耦合：用于智能材料與傳感器的仿真
3. 智能網(wǎng)格技術(shù)與高性能計(jì)算
HEXMESH六面體網(wǎng)格自動(dòng)生成：相比傳統(tǒng)四面體網(wǎng)格，計(jì)算精度提升30%-50%
自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分：在大變形分析中自動(dòng)優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量
分布式并行計(jì)算：支持千核級(jí)并行，計(jì)算速度提升顯著
GPU加速支持：利用顯卡并行計(jì)算能力進(jìn)一步提升求解效率
4. 開(kāi)放的集成生態(tài)系統(tǒng)
CAD無(wú)縫對(duì)接：支持CATIA、NX、Creo、SolidWorks等主流設(shè)計(jì)軟件
CAE數(shù)據(jù)互通：與Abaqus、ANSYS等求解器數(shù)據(jù)兼容
定制化開(kāi)發(fā)接口：提供Python、C++等語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境
企業(yè)級(jí)部署：支持本地部署、私有云及混合云架構(gòu)
二、行業(yè)應(yīng)用與價(jià)值案例
MARC在多個(gè)高端制造與新興領(lǐng)域展現(xiàn)強(qiáng)大應(yīng)用價(jià)值：
1. 航空航天與國(guó)防
優(yōu)化火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)推重比顯著提升
模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷，助力飛行器輕量化設(shè)計(jì)
2. 新能源汽車(chē)與儲(chǔ)能
為特斯拉等車(chē)企提供車(chē)身碰撞與電池包安全仿真方案
支持寧德時(shí)代等電池廠商研發(fā)下一代固態(tài)電池技術(shù)
3. 能源裝備與重型機(jī)械
構(gòu)建風(fēng)電裝備數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)疲勞壽命預(yù)測(cè)與故障預(yù)警
模擬深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)，大幅降低研發(fā)測(cè)試成本
4. 醫(yī)療器械與生物力學(xué)
輔助定制化人工椎體設(shè)計(jì)，提升手術(shù)成功率與恢復(fù)效率
仿真心血管支架等植入器械的生物力學(xué)性能
5.
展開(kāi) 一種柔性透氣壓電復(fù)合織物
更重要的是，這種壓電陶瓷織物展示出令人滿(mǎn)意的壓電性（d33為190 pm V-1）、透氣率（45.1 mms-1）、柔性（楊氏模量為0.35 GPa）和韌性（0.125 MJ m-3）。這種更注重均衡性能的設(shè)計(jì)策略進(jìn)一步促進(jìn)了功能材料在可穿戴設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。
圖1 具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷復(fù)合織物示意圖及其應(yīng)用
圖2 多級(jí)壓電復(fù)合纖維機(jī)械性能和壓電性能的仿真結(jié)果
圖3顯示了這種壓電復(fù)合織物的合成示意圖，其主體由PZT陶瓷骨架和P（VDF-TrFE）涂層組成，兩側(cè)再貼附銅網(wǎng)作為電極。與采用的織物模板類(lèi)似，相互纏繞的亞毫米級(jí)多股陶瓷纖維構(gòu)成了 PZT 陶瓷骨架，而組成陶瓷纖維束的微米級(jí) PZT 纖維則是二級(jí)結(jié)構(gòu)。包覆PZT陶瓷骨架的P(VDF-TrFE)薄膜不僅為壓電復(fù)合織物提供了更好的機(jī)械性能，而且本身也是壓電材料，進(jìn)一步提高了其壓電性能。
圖3 壓電陶瓷復(fù)合織物的合成示意圖及相關(guān)表征
而這種壓電復(fù)合織物內(nèi)部獨(dú)特的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，也讓其具有良好的透氣性（圖4）。在機(jī)械性能方面，相比于傳統(tǒng)的壓電復(fù)合材料，這種壓電復(fù)合織物具有更高的楊氏模量，斷裂強(qiáng)度，拉伸率，韌度及斷裂能（圖4）。
圖4 壓電陶瓷復(fù)合纖維的透氣性及機(jī)械性能
在壓電性能方面，這種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷織物能夠產(chǎn)生128 V的開(kāi)路電壓，足以同時(shí)點(diǎn)亮75盞LED。在1MΩ的最佳匹配電阻下，能夠產(chǎn)生 0.75 mW cm-2的瞬時(shí)功率密度，遠(yuǎn)高于之前報(bào)道的工作（圖5）。
圖5 壓電復(fù)合織物的壓電性能
為了評(píng)估這種壓電復(fù)合織物在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和能量收集中的潛在應(yīng)用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
展開(kāi) 