压电复合材料电学参数仿真预测

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1、第26卷第15期甘肃科技Vo2．26No．152010年8月GansuScienceandTechnolo~Aug．2010压电复合材料电学参数仿真预测黄鑫，李旭东，李俊琛，周兰(兰州理工大学有色金属新材料国家重点实验室，甘肃兰州730000)摘要：利用有限元分析软件ANSYS，在成功预测压电陶瓷电学参数的基础上，对压电复合材料电学参数进行了仿真预测。本文以压电陶瓷PZT一5A与环氧数树脂组成的压电复合材料为例，预测了4种基本连通类型O一3、l一3、2—3、3—3型压电复合材料的压电应力常数、相对夹持介电常数，分析了各常数在压电相体积分数分别为10％、30％、50％

2、、70％时的变化情况。并针对电学参数的预测方法及预测结果与c．Zhang，M．S．Wu进行了对比分析。关键词：压电复合材料；代表性体积单元；压电应力常数；夹持介电常数中图分类号：TB381TB33TP391．7压电复合材料是由压电相材料与非压电相材料4种连通类型压电复合材料的电学参数，并针对电按照一定的连通方式组合在一起而构成的一种具有学参数预测方法与G．Zhang，M．S．Wu进行了比压电效应的复合材料。按照压电相和非压电相在复较，得出了不同的预测结果。合材科中的分布状态，压电复合材料可以分为十种基本类型，即0—0，O—l，0—2，0—3，l一1，1—2，l压电材

3、料本构方程1—3，2_2，2—3，3⋯。文意在预测压电复合材料在机械夹持和电学短压电复合材料作为一种新型压电材料在水声，路边界条件下的电学参数，因此采用如下压电方检测超声和医学声成像等方面受到了广泛的重视，程引：因此研究压电复合材料宏观等效特征参数具有十分=c：．sf—eEi√=1，2，3，4，5，6重要的现实意义。在对压电复合材料等效特征参数D=es+Em，n=1，2，3(1)进行研究时，人们从不同角度出发采用了形式多样c为弹性刚度系数，即短路刚度系数；e面，e为的模型和理论，具有代表性的方法有如下几种-2J：压电应力常数；为夹持介电常数。在压电复合材夹杂理论、均

4、匀场理论、参数识别研究、实验研究、数料参数预测过程中，选取压电陶瓷PZT一5A为活性值研究。其中数值研究主要包括L3J：差分法、变分相，环氧树脂(Polymer)为基体材料，材料参数，见表法、有限元法。1。以c表示弹性刚度系数，以e表示压电应力系运用ANSYS软件在成功预测了压电陶瓷电学数，以表示相对夹持介电系数。相对夹持介电常参数的基础上进而预测了O一3、1—3、2—3、3—3，数为材料本身介电系数与真空介电系数的比值。表1压电陶瓷PZI"一5A。环氧树脂的材料参数轴负向。在这些表面上施加一系列的适当边界条件2仿真预测方法的提出与验证和载荷，通过对结果数据的分析计

5、算就可以求出各从公式(1)中可以看出，当外加电场为零，仅施电学参数。加位移载荷时，可以求解出弹性刚度系数；反之可利用3种不同的边界条件及载荷工况，成功预以求解出加持介电系数与压电应力系数。测出了压电陶瓷的8个电学参数，具体边界条件及以压电陶瓷PZT一5A为例，提取代表性体积单载荷工况，见表2，其中VOLT表示电压单位为伏元建立模型，如图1所示。其中2、4、6面的法线分特，表示位移单位为米。例如第1组，约束代表性别沿z、Y、X轴正向，1、3、4面的法线分别沿z、Y、x体积单元各面的全部3个法向位移为零，这样就保第15期黄鑫等：压电复合材料电学参数仿真预测57证了机械夹

6、持边界条件。通过公式e=一／E1即可求解出e15o为了参数预测的精确度及简化结果数据的处理，本文利用APDL语言编程J，在／PoSTl后处理器中使用单元表ETABLE命令提取模型全部单元的应变、应力、体积、电位移等数据，将以上数据存储到通过DIM命令建立的表格型数组中，对其求解体积加权平均值后自动计算出压电陶瓷PZT一5A的电学参数，所得各参数几乎完全符合表2，误差甚小。以上的模拟结果充分证明了利用有限元软件ANSYS对压电材料进行电学参数的仿真预测是完图1压电陶瓷代表性体积单元全可行的，并且精度较高。表2预测压电陶瓷等效特征参数采用的边界条件及载荷工况e31，e3

7、2VOLT=50，UX=0VOLT=0，UX=0UX=0，UY=0UX=0，UY=OUX=O，UY=0UX=0，UY=0，e33，K33UY=0，UZ=0trY=0，UZ=0UZ=0UZ=0UZ=0UZ=0示，其中深色部分为活性项，浅色部分为环氧树脂基3压电复合材料参数的仿真预测及结体。网格划分选择~1id98。本文计算了以上4种连果分析．通类型压电相体积分数分别为10％、30％、50％及3．1仿真预测70％的压电复合材料的电学参数，施加载荷方案及选择压电陶瓷PZT一5A为活性相，环氧树脂为计算电学参数的方法与压电陶瓷模拟计算过程相基体，材料参数见表1。建立O_