3 33 3 33 3
第 32 卷 第 2 期 2009 年
3 月 兵器材料科学与工程
ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
Vol 〃32 No 〃2 M ar., 2009
陶帅 1 ，白鸿柏 1，侯军芳 1，郝刚 2
（1.军械工程学院 自行火炮教研室，河北 石家庄 050003；2.总装备部 63963 部队 科技处，北京 100072）
摘 要 为适应微动隔振平台自适应控制的要求，提高系统响应速度和输出位移量，为隔振平台系统的执行元件—压电致 动器设计预压装置，建立压电致动器模型，推出预压力与位移和迟滞的理论表达式。 根据压电致动器受压状态试验，发现 压电致动器的输出位移和迟滞量在受压下的变化与理论曲线基本吻合，在
此基础上，进一步分析预压力对位移和迟滞量 的影响机理。 结果表明，位移量和迟滞的变化的根本原因是逆压电效应和压电系数随预压力的变化。 关键词 微隔振平台；压电致动器；迟滞；动态建模 中图分类号 TP21
文献标识码 A 文章编号 1004-244X （2009）02-0029-03
Effect of preliminary pressure on the displacement and hysteresis of the piezoelectric actuators
TAO Shuai 1，BAI Hongbai 1，HOU Junfang 1，HAO Gang 2
（1.F aculty of S elf -P ropelled Gun ，Ordnance Engineering C ollege ，Shijiazhuang 050003，C hina ；2.Departm ent of Technology of
63963 Arm y ，General Equipm ent Departm ent ，B eijing 100072，China ）
Abstract In order to adapt to the requirement of adaptive control of micro vibration isolation plate and enhance the response velocity and the output displacement ， a precompressor is designed for the piezoelectric actuator ， the model of the actuators is built and the expression of the relationship between preliminary pressure and displacement ，and hysteresis is deduced. According to the experiment in compression ，the curve chart of displacement and hysteresis in preliminary pressure w
as in agreement with the ideal curve. The effective mechanism of preliminary pressure was studied. The result indicates that the basic reason for the change of displacement and hysteresis is the inverse piezoelectric effect and piezoelectric coefficient changing with p reliminary p ressure.
Key words micro vibration isolation plate ；piezoelectric actuators ；hysteresis ；dynamic m odeling
压电陶瓷具有正逆压电效应， 可实现机械学量与 电学量的相互转换，并具有体积小，响应速度快，精度 高，功耗低等特点，已被广泛用于精密结构控制、振动 控制等方面。由于压电叠层致动器能承受压力，为了保 压电致动器主要利用其逆压电效应［5］，并且仅考虑压 电陶瓷的纵向效应。 本构方程为：
S ＝s E σ +d E 。 （1）
式中：S 3 为压电体轴向应变；σ3 为压电体轴向应力，σ3 ＝
证压电智能主动杆能够承受一定的拉力， 设计了预压 F /A ；E 3 为轴向电场强度，E 3 ＝V /t ；t 为单片压电体轴向
装置对其施加预压力， 以保证压电叠层致动器在工作 过程中始终处于受压状态。 通过压电致动器受压状态 试验， 发现压电致动器的输出位移和迟滞量在受压下 的变化与预压力的变化密切相关。 在 Umla
nd 等［1］
研制
了低电压驱动的第三代主动元件后， 芮小健等［7］对压
电叠堆谐振特性进行了理论与实验研究 ； 叶 青 等
［2］
开 展了航天压电陶瓷致动器的设计与实验研究 ； 李 俊宝
［3-4］
研制了用于自适应桁架控制的主动元件。 设计
不同结构的压电致动器， 并对预压和最大输出位移间 的关系进行研究， 但并未提及预压对迟滞的影响。 为 此， 对预压力的最大位移输出量和迟滞的影响因素进 行分析，为微隔振平台的控制打下基础。
1 压电致动器的设计
压电陶瓷具有正逆压电效应， 用于微隔振平台的
长度；A 为横截面面积；s E
为压电体的弹性柔顺系数；d
33 33
为压电常数。
采用哈工大博实精密有限公司生产的 PTBS200/
5×5/8 压电堆， 该压电堆为由 80 片厚度为 0.1 m m 、表 面积为 5 mm ×5 mm 的压电片按照机械串联、电学并联 的方式将压电片粘结后进行封装，其结构示意见图 1。
设计的压电主动元件结构主要由压电堆、 预压装 置、“球形”传力装置、运动输出元件、外壳和微位移传 感器组成，其中承力部件有压电陶瓷驱动器、预压弹簧 装置、抗弯装置，其核心部件为压电陶瓷驱动器，如图
2 所示。
为减小压电致动器顶杆和外筒之间滑动、 间隙配 合对输出的影响，在顶杆和外壳的配合处，加工如图 2 中 3 上的凹槽，尽可能的减少面接触的摩擦面积，同时 又避免顶杆的倾斜，又在接触面上加工出气槽，避免由
收稿日期：2008-06-18；修回日期：2008-11-23 基金项目：重点武器
作者简介：陶帅，男，博士研究生，主要研究方向为基于微隔振平台压电致动器的自适应控制。 E -mai l ： m 。
△l V
t
l
图 1 压电致动器结构图
Fig 1 S tructure of the piezoelectri c actuator
1—底座；2—“球形”传力装置；3—顶杆；4—预压装置； 5—外壳；6—压力传感器；7—预压弹簧；8—压电堆。
图 2 压电致动器
Fig 〃2 P iezoelectri c actuator
Z 1
Z i
Z j
Z 2 !
F s
k s 1
k s
k s 2
k s 3
F s
1
i
j
2
δ0＝d s 准
k p
图 3 压电致动器等效动力学模型
F ig 〃3 E quivalent dynamics m odel of piezoelectri c actuators
K s
，C s
T s
! T T
s s C ! T T
30
兵器材料科学与工程 第 32 卷
等效位移源；F s 为压电致动器所受到的轴向外力；Z i 、Z j 分别为压电堆左右两端的位移；Z 1、Z 2 为致动器两端位 移。
根据力学等效原理及压电堆的动态力学模型及公 式（1），可以得到致动器的等效动态力学模型为：
δs ＝ F ! s
+d ! V ， （2）
K ! 为压电致动器等效动力学刚度，d !
为等效动态压电
s
石康军s
系数。
忽略漏电流影响， 压电堆的驱动电压可由压电致 T
动器的工作电流 I s 得到：V 0 ＝
I s !
为压电堆等效
T
s j ωC ! 动态电容［4］。 考虑由压电堆弹性变形形成的自感应电 流对电压的影响，电压修正为 V ＝△V 0+V s ，V s ，为压电堆 的工作电压。 模型修正为：
! !
!2 δs ＝ s -K s d s T
F +d ! V 。 （3）
K s
C s
压电致动器输出位移与输入电压的传函为：
!T ! !2 !T ! !2
G ＝ δs ＝ C s -K s d s F +d ! ＝ C s -K s d s F +d ! ， （4）
V K ! ! s ! !T j ωt
s
于配合原因导致在凹槽中密闭空气影响输出性能。 主 s C s V 则压电致动器的滞后为
"! K s C s V e
! !2
#F 动元件的外壳部分均采用不锈钢材料加工， 从而减小 φmax C -K d
＝arctan
s
s s
， （5）
整个结构的质量，且具有热变形系数小的优点。从文献 ［6］得知：当采用不锈钢作为顶杆材料时，致动器的实 际位移输出量程较压电堆本身的量程降低了近 40%， 这是由于顶杆的刚度过低造成的。 为此，采用 45 钢代
d ! ! ! s K s
C s V 压电堆和压电致动器的参数为：
k s 1＝1 030.3 N /μm ；k s 2＝876.5 N /μm ； k ＝556.8 N /μm ；d ! p
替不锈钢来制作顶杆， 从而保证其具有足够的强度和 s ＝700 pc /N ；
刚度。
2 压电致动器的建模
K p
＝0.431 6 N /μm ；C 0
＝0.28 μF ；k ! ＝
71 N /μm 。
从文献［3，4，6］的结论推出：
K
! ! s ＝63.8 N /μm ；C ＝0.37 μF 。
根据压电致动器的结构图， 可以将其等效为如图
3 动力学模型［5］。
在图中，k !
为压电堆的等效动力学刚度，k s 1、k s 2 为
与压电堆串联的弹性元件的刚度，k s 3 代表压电致动器 顶杆的刚度，k p 是压电堆预压弹簧的刚度；δ0 为压电堆
将参数代入方程（3）得到压电致动器的理论输入 位移，见图 4；代入方程（5），得到迟滞量的理论曲线如 图 5 所示。
3 压电致动器试验及分析
利用 HPV 系列压电陶瓷驱动电源、设计的压电致 动器、CL -YD302 压力传感器、YE 5937 位移测量仪和
Labview 的数据采集系统构建试验系统。已知致动器最
大预压力为 140 N ，每隔 20 N 测量一次预压力值对应
的最大输出位移，得出如图 4 的实验测量曲线。 与各 点的理论输出位移比较得出迟滞量的试验测量曲线
c
12 b
1
10 m μ 8 2
移
1 试验曲线 / 位 6 a
2 理论曲线
4
2
负载/N 图 4 压电堆在不同预压力下的位移
F ig.4 Displacem ent in different pre ￣pressure of piezoelectric
15 12.5
b 1
％ / 10
a
量
滞 7.5 1 试验曲线 迟
5 2 理论曲线
2
2.5 负载/N
图 5 压电堆在不同预压力下的迟滞
F ig 〃5 H ysteresis in different pre ￣pressure of piezoelectric
T 第 2 期
陶帅等：预压力对压电致动器位移和迟滞影响的分析
31
动态电容、动态压电系数、施加的电压、致动器的等效 刚度和能对压电致动器施加的最大压力有关。 通过试 验， 致动器所能承受的最大压力和输入电压直接影响 迟滞的最大值； 预压力改变的同时改变了压电堆的等
效压电系数［2-6］，且在d ~ ＝ C ~ /K ~
时， 可得最小迟滞
s
姨
s s
如图 5 所示。
3.1 预压力与位移输出量的关系
从图 4 上可以看出，在 a b 段，压电致动器最大输 出位移随着预压力的增大而迅速增加，在 bc 段，这种 趋势逐渐变缓，同时，随着预压力的增大，位移增量稍 有降低，但总的影响不是很大。
预压力对位移的影响从公式（2）可以理解为：压 电系数随预压力的变化导致了输出增益的变化。 从具 体物理过程可以解释为有预压力作用时，随着预压力 的增大， 在 80 N 之前， 非 180°畴的预转向占主导地 位，即是在预压力作用下，a 畴转化为 c 畴的量随预压 力递增而呈指数增加，同时，输出位移量不仅有逆压电 效应的作用， 压电致动器产生的输出力与预压力的整 体作用，可以等效为施加于压电堆的预压力减小，导致 了 c 畴向 a 畴的部分逆转化， 从而在相同的电压驱动 下压电致动器输出位移逐渐增大；在预压力大于 80 N 时，压电堆内部电畴的转化已经不占主导地位，过大的 预压力使压电堆可以作为一个刚度很大的弹性元件对 待，在压电堆施加电压后，其输出力有一部分要用于克 服预压所施与的弹性变形，导致输出位移总量的降低， 位移增益趋于平缓，近似为一常数。
3.2 预压力与迟滞的关系
迟滞的产生原因有很多， 例如压电陶瓷自身特性 和阻尼的存在等，因此，迟滞不可能消失。
从公式（5）可以看出迟滞的变化与压电致动器的
量，但在一般情况下，由于系统自身要求，取不到此值；
动态电容也随输入电压的大小和频率变化而变化［3-4］， 从而间接影响了迟滞量的变化趋势。
由图 5 中可以看出， 理论曲线的迟滞量总体比试 验曲线小，这是因为在试验时，由于顶杆与致动器壁的 滑动配合及其其它机械因素导致了迟滞量的增加。
从图 4 和图 5 对比可以看出， 迟滞最大点所对应 的预压力值，并不是产生最大位移增益的预压值点，而 是在压电致动器未达到位移最大增益时， 迟滞量便达 到了最大。 同时可以观察到：迟滞量最大点即是位移增 益变化速度变缓的点。 也就是说，在 40～60 N 以前，由 于预压力的增加导致的压电系数迅速增加和动态电容 的变化，从而导致迟滞量增大，在 40～60 N 后转而逐渐 减小，同时，预压力也使压电陶瓷内部的电畴运动速度 加快，导致了迟滞的降低［1，5］。
4 结 论
在对压电陶瓷进行建模的基础上， 改进了用于微 隔振平台的压电致动器的顶杆装置， 并建立了压电致 动器模型，推导出位移增益和迟滞与预压力的关系式， 从公式和压电陶瓷机理两方面分析了二者和预压力的 曲线变化。 结果证明，最大迟滞量的变化在宏观上表现 为与预压力、压电致动器的动态电容、动态压电系数、 施加的电压、 致动器的等效刚度和压电致动器能承受 的最大压力有关，增加了精确建模
的难度。 为此，寻 一组能间接反映内部结构和压电系数等外部表征变化 的参数来简化致动器迟滞方程，成为迫在眉睫的问题。
5 参考文献
［1］ Umland J W ，Chen G S 〃 Active m ember vibration control for a
4 m eter prim ary reflector support structure ［C ］ ∥P roceedings of 33r d AIAA S DM C onference 〃1992〃
［2］ 叶 青 ， 阎 绍 泽 ， 汤 晓 瑛 ， 等〃 压电主动元件设计与 实 验 研 究
［J ］〃 机械科学与技术， 2003，22（4）：629-631〃
［3］ 李俊宝. 智能桁架结构设计、建模与阻尼控制的理论和试验
研究［D ］∥博士论文〃南京航空航天大学，1996〃
［4］ 李俊宝. 压电作动器研制及其在空间结构振动控制中的应
用研究［D ］∥博士后出站报告〃西安交通大学，1998〃 ［5］ M ilan M ，Grep P C ，F riedrich K
S. Electro ￣m echanical char
acterization of piezoelectri c stack actuators ［J ］〃 Part of SP TE
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兵器材料科学与工程
ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
Vol〃32 No〃2
M ar., 2009
纳米CeO
2
粉体对铁粉焊条焊缝组织和性能影响的研究
王爱华，李建国，姚青虎，杨科伟
（内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特010051）
摘要通过在碱性铁粉焊条药皮中添加不同含量的纳米CeO2 粉体，对焊缝进行显微组织及力学性能的分析测试，探讨纳米CeO2 粉体对铁粉焊条焊缝组织和性能的影响。结果表明，在铁粉焊条药皮中加入适量的纳米CeO2 粉体，可使焊缝金属显微组织得到细化，针状铁素体数量增多，焊接接头的力学性能得到提高。
关键词纳米CeO2；铁粉焊条；显微组织；力学性能
中图分类号TG422.1文献标识码A文章编号1004-244X（2009）02-0032-03
Effect of the nanometer CeO2 powder on microstructure and properties of the welded joint of
the iron powder electrode
WANG Aihua，LI Jianguo，YAO Qinghu，YANG Kewei
（College of M aterials S cience and Engineering，Inner M ongolia University of Technology，Inner M ongolia 010051，C hina）Abstract Different amount of nanometer CeO2 powder was added into the alkaline coating of iron powder electrode. The microstructure and mechanical properties were analyse
d and measured. The effects of nanometer CeO2 powder on the microstructure and properties of welded joint were studied. The experiment results indicated that the addition of appropriate amount of nanometer rare CeO2 powder into the coating of electrode could refine microstructure，increase ratio of acicular ferrite in the microstructure，and enhance mechanical properties of welded joint.
Key words nanom eter C eO2；iron powder electrode；microstructure；m echanical p roperties
在焊接加工过程中，焊接材料的性能直接影响焊
接结构的质量。因此，提高焊接材料的性能是焊接工作者不懈努力的方向。纳米材料作为近年来科学上的重大发现之一，已成为许多学科研究的热点［1-4］。目前，欧美等工业发达国家运用纳米技术制成的纳米焊条，已在众多领域得到应用［5］。在碱性铁粉焊条药皮中加入不同含量的纳米CeO2粉体，对获得的焊缝进行显微组
织和力学性能测试，研究了纳米CeO2粉体对铁粉焊条焊缝组织和性能的影响。
1 试验过程
1〃1试验材料
焊芯选用H08A，焊接试板材料为16Mn，试板厚度为12mm，母材16Mn的性能见表1。药皮组成物主要有大理石、萤石、还原铁粉、锆石英等，在此基础上再加入不同含量的纳米CeO2粉体，纳米CeO2粉体添加的质量分数为0、1.1%、1.3%、1.6%、2.0%。
1〃2试验方法
试板焊接工艺参数：电流为150～160A，电压为
表1 母材16Mn 的性能
Table 1 P roperties of base metal 16Mn
σb/MP aδ/%A kv/（J·cm-2）
>490>21>59
24～30V，直流反接。采用蔡司光学HAL100型金相显微镜观察焊缝金属显微组织，应用ZBC型液晶全自动金属摆锤冲击试验机、SHT型微机控制电液伺服万能试验机对焊接接头的低温冲击韧性、抗拉强度及塑性进行测试与分析。焊条制备采用TL-25A油压式焊条压涂机，制备焊条采用的压力为7~9 MP a。
2 试验结果及分析
2〃1焊接接头强度和塑性
表2为焊接接头板状试样拉伸及弯曲试验结果，试样1为药皮中不含纳米CeO2粉体焊条焊接接头试样，试样2、3、4、5分别为药皮中含1.1%、1.3%、1.6%、2.0%纳米CeO2粉体焊条焊接接头试样。试样1拉伸后断裂位置在焊缝处，并且试样弯曲后呈断裂状态，且延伸率仅为17.1%，而试样2、3、4、5 的断裂位置是在母
收稿日期：2008-07-11；修回日期：2008-11-26 基
金项目：教育部春晖计划项目（Z2004-1-15004）
作者简介：王爱华，女，辽宁抚顺人，在读硕士；主要从事焊接材料研究。
∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥
Conference on Sm art Structures and Integreted S ystems，New-port B each，1999，3668：586-601.
［6］陶帅.基于微隔振平台的压电致动器理论与试验研究［D］∥
硕士论文.军械工程学院，2008〃
［7］芮小健，钟秉林，颜景平.压电叠堆谐振特性的理论与实验研究［J］.压电与声光，1993，15（2）：42-46〃
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