基于压电材料的振动控制 从宏观系统到微纳米系统PDF电子书下载

第Ⅰ部分 机械振动综述 2

第1章 引言 2

1.1 智能结构简介 2

1.2 振动控制的概念 4

1.2.1 隔振与吸振 5

1.2.2 吸振与振动控制 5

1.2.3 振动控制系统的分类 6

1.3 动力学系统的数学模型 7

1.3.1 线性和非线性模型 7

1.3.2 集中参数与分布参数模型 8

总结 9

第2章 集中参数系统的振动介绍 10

2.1 线性离散系统的振动特征 10

2.2 单自由度系统的振动 11

2.2.1 时域响应特性 11

2.2.2 频率响应函数 13

2.3 多自由度系统的振动 14

2.3.1 特征值问题和模态矩阵表示法 14

2.3.2 经典阻尼系统 16

2.3.3 非比例阻尼 17

2.4 离散系统振动分析实例 19

总结 22

习题 22

第3章 变分力学简介 27

3.1 变分法概述 27

3.1.1 变分法概念 28

3.1.2 变分算子δ特性 30

3.1.3 变分法的基本定理 30

3.1.4 泛函的约束极小化 33

3.2 变分力学概述 35

3.2.1 功能原理和扩展的Hamilton原理 35

3.2.2 欧拉方程在动力学分析中的应用 37

3.3 运用解析法进行运动学方程推导的步骤 39

总结 40

习题 40

第4章 分布参数系统振动分析的一种统一方法 42

4.1 变形体的平衡状态和运动学模型 43

4.1.1 平衡微分方程 43

4.1.2 应变位移关系 45

4.1.3 应力-应变本构关系 48

4.2 变形体的虚功原理 50

4.3 连续系统振动实例 53

4.3.1 杆的纵向振动 53

4.3.2 梁的横向振动 57

4.3.3 板的横向振动 62

4.4 连续系统的特征值问题 65

4.4.1 分离变量法 66

4.4.2 模态正交性 73

4.4.3 特征函数展开法 75

总结 79

习题 79

第Ⅱ部分 基于压电材料的振动控制系统 86

第5章 智能材料综述 86

5.1 压电材料 87

5.1.1 压电效应的概念 87

5.1.2 压电材料的基本性能和本构模型 87

5.1.3 压电材料的实际应用 89

5.2 热释电材料 89

5.2.1 热释电材料的本构模型 89

5.2.2 常用的热释电材料 90

5.3 电流变液和磁流变液 90

5.3.1 电流变液 90

5.3.2 磁流变液 91

5.4 形状记忆合金 92

5.4.1 形状记忆合金的物理原理及特性 92

5.4.2 形状记忆合金的商业应用 93

5.5 电致伸缩材料和磁致伸缩材料 94

5.5.1 电致伸缩材料 94

5.5.2 磁致伸缩材料 95

总结 96

第6章 压电材料的物理原理和本构模型 97

6.1 压电原理 98

6.1.1 极化和压电效应 98

6.1.2 压电材料的晶体结构 99

6.2 压电材料的本构模型 101

6.2.1 预备知识和基本定义 101

6.2.2 本构关系 102

6.2.3 压电材料的非线性特性 106

6.3 压电材料的本构常量 107

6.3.1 一般关系 107

6.3.2 压电常数 109

6.4 压电结构材料的工程应用 113

6.4.1 压电陶瓷在机电系统中的应用 114

6.4.2 压电陶瓷驱动的位移放大策略 114

6.4.3 基于压电陶瓷的高精度微型电机 115

6.5 压电作动器和传感器 116

6.5.1 压电作动器／传感器的结构 116

6.5.2 压电作动器／传感器实例 118

6.6 压电系统的研究进展 119

6.6.1 压电式微操纵器 120

6.6.2 压电式微悬臂梁传感器 120

6.6.3 压电式平移纳米定位器 121

6.6.4 未来的发展方向和前景 122

总结 122

第7章 压电材料的迟滞特性 123

7.1 迟滞现象的来源 123

7.1.1 率无关和率相关迟滞 124

7.1.2 局部与非局部记忆特性 124

7.2 压电材料的迟滞非线性 125

7.3 压电材料的迟滞建模方法 126

7.3.1 唯象迟滞模型 126

7.3.2 本构迟滞模型 130

7.4 迟滞补偿技术 138

总结 139

第8章 压电系统建模 140

8.1 建模预备工作和假设 141

8.2 叠堆式压电作动器建模 141

8.2.1 无外加负载的叠堆式压电作动器 143

8.2.2 外加负载的叠堆式压电作动器 145

8.2.3 案例研究：叠堆式压电作动器振动分析 147

8.3 薄片式压电作动器建模 152

8.3.1 基于能量法的薄片式作动器建模 153

8.3.2 案例研究：压电驱动有源探针的振动分析 158

8.3.3 基于等效弯矩的薄片式作动器建模 166

8.4 二维压电驱动简介 169

8.4.1 基于能量法的二维压电驱动建模 169

8.4.2 基于等效弯矩的二维压电驱动建模 173

8.5 压电传感器的建模 175

8.5.1 叠堆式压电传感器 175

8.5.2 薄片式压电传感器 177

8.5.3 压电传感器的等效电路模型 178

总结 180

第9章 基于压电作动器和传感器的振动控制 181

9.1 振动控制的概念和预备知识 182

9.2 基于压电惯性作动器的主动吸振 182

9.2.1 主动共振吸振器 183

9.2.2 延时共振吸振器 188

9.3 基于PZT的主动振动控制 195

9.3.1 基于叠堆式压电作动器的振动控制 196

9.3.2 基于薄片式压电作动器的振动控制 206

9.4 基于压电材料的半主动振动控制系统 227

9.4.1 变刚度振动控制的概念简介 228

9.4.2 变刚度概念的实时实现 229

9.4.3 基于压电材料的变刚度振动控制 232

9.4.4 基于压电材料的变刚度控制实验 237

9.5 基于压电材料的自感知作动器 240

9.5.1 预备知识和背景 240

9.5.2 压电电容的自适应匹配策略 241

9.5.3 自感知作动器在质量检测上的应用 243

总结 246

第Ⅲ部分 基于压电材料的微纳米传感器和作动器 248

第10章 基于压电材料的微纳米定位系统 248

10.1 纳米尺度控制与操纵的分类 248

10.1.1 基于扫描探针显微的控制及操纵 249

10.1.2 基于纳米操纵器的控制和操纵 254

10.2 压电式微纳米定位系统 255

10.2.1 STM系统中所使用的压电作动器 255

10.2.2 STM系统中的压电作动器建模 257

10.3 单轴压电纳米定位系统的控制 262

10.3.1 前馈控制策略 262

10.3.2 反馈控制策略 266

10.4 多轴压电纳米定位系统的控制 269

10.4.1 耦合的并联压电弯曲纳米定位平台的建模与控制 270

10.4.2 三维纳米定位系统的建模与控制 279

总结 286

第11章 压电式微悬臂梁传感器 287

11.1 简要综述 288

11.1.1 微悬臂梁传感器的基本操作 288

11.1.2 线性与非线性振动 290

11.1.3 NMCS信号传递的常用方法 290

11.1.4 工程应用和发展动态 292

11.2 微悬臂梁传感器的建模 294

11.2.1 压电式NMCS的线性和非线性振动分析 295

11.2.2 NMCS的弯曲-扭转耦合振动分析 311

11.3 基于NMCS进行超微质量检测与材料表征 321

11.3.1 基于NMCS的生物物种检测 322

11.3.2 基于NMCS的超微质量检测 330

总结 335

第12章 基于纳米材料的压电作动器和传感器 336

12.1 纳米管的压电特性（碳纳米管和氮化硼纳米管） 337

12.1.1 纳米管概览 337

12.1.2 纳米管和纳米管材料的压电特性 338

12.2 基于纳米管的压电式传感器和作动器 340

12.2.1 多功能纳米材料的驱动和传感机理 340

12.2.2 纳米管压电薄膜传感器的制备 342

12.2.3 纳米管传感器的压电特性测量 347

12.3 基于纳米管复合材料的结构减振和振动控制 349

12.3.1 用于减振和振动控制的纳米管复合材料的制备 349

12.3.2 纳米管复合材料的自由振动特性 351

12.3.3 纳米管复合材料的受迫振动特性 356

12.4 压电纳米复合材料的可调力学特性 359

12.4.1 相界面控制简介 359

12.4.2 纳米管复合材料的分子动力学仿真 361

12.4.3 纳米管复合材料的连续弹性体模型 363

12.4.4 纳米管复合材料的数值仿真结果和讨论 363

12.5 由电子织物所组成的功能纳米材料 366

12.5.1 电子织物的概念 366

12.5.2 基于碳纳米管复合材料的无纺织物的制造 367

12.5.3 碳纳米管织物传感器的实验表征 369

总结 372

附录A 数学基础 373

A.1 预备知识和定义 373

A.2 指标记法与求和约定 375

A.2.1 指标记法约定 376

A.2.2 克罗内克函数 376

A.3 平衡态与稳定性 377

A.3.1 平衡点或平衡态 377

A.3.2 稳定性的概念 378

A.4 基本稳定定理的简要概述 379

A.4.1 李雅普诺夫局部和全局稳定性定理 380

A.4.2 局部和全局不变集定理 382

附录B 部分定理的证明 384

B.1 定理9.1的证明 384

B.2 定理9.2的证明 387

B.3 定理9.3的证明 388

B.4 定理10.1的证明 389

B.5 定理10.2的证明 390

参考文献 392