应力场致压电性能退化对压电结构振动控制效能的影响研究

Stress depolarization effect caused piezoelectric performance degradation of piezoelectric ceramic brings functional degradation on piezoelectric component. Piezoelectric actuators serving in piezoelectric structure vibration control system inevitably suffer from repeated stress field affect; consequently functional degradation of piezoelectric actuators occurs because of stress depolarization effect, which brings bad influence on the control efficiency of structure vibration control system, and leads to control failure eventually. Existing research is mainly focused on the microscopic mechanism of stress induced piezoelectric performance degradation of piezoelectric ceramic by testing block type piezoelectric ceramic sample or film sample. However, prediction method for functional degradation phenomenon of piezoelectric actuators and its influence assessment on piezoelectric structure vibration control effect need to be studied. In the present study, stress induced actuating function degradation behavior of piezoelectric actuator will be investigated by test method. Prediction model for specific stress level and prediction method for complex stress condition of stress induced functional degradation of piezoelectric actuator will be developed. Mapping relationship between piezoelectric degradation behavior of ceramic and performance degradation behavior of piezoelectric actuator will be demonstrated. Fin buffeting piezoelectric control system is chosen to be an example for the impact study of actuator functional degradation. Threshold condition of piezoelectric actuator functional degradation for control effect failure will be ascertained. Influence of piezoelectric actuator functional degradation on control effect of structure vibration control system can be evaluated and predicted by using the proposed methods in this study.

压电结构振动控制中压电作动器不可避免要受到应力场反复作用，应力场作用下压电材料的压电性能会因应力去极化效应而发生退化引起压电作动器功能退化，最终可致压电结构振动控制失效。本项目将通过对应力场作用应力去极化效应导致的压电作动器功能退化问题开展实验研究，理清压电作动器功能退化程度与压电材料压电性能退化程度的映射关系，通过建立固定应力水平循环载荷作用下压电作动器功能退化程度的预测模型，研究服役期内复杂应力条件下压电作动器功能退化的预测方法；建立可考虑多压电作动器功能退化的压电结构振动控制系统建模仿真方法，分析压电作动器功能退化导致压电结构振动控制失效的临界状态，建立应力场致压电性能退化对压电结构振动控制效能影响的预测评估方法，揭示压电性能退化对压电结构振动控制效能的影响规律。本项目研究结果对压电作动器功能耐久性研究有理论指导意义和应用价值，对压电结构振动控制技术应用具有理论价值和现实指导意义。

实验结果表明压电陶瓷材料在应力场作用下会由于应力去极化效应而发生显著的压电性能退化，材料压电性能退化将直接导致压电作动器功能退化，最终造成压电结构振动控制系统功能失效。本项目研究针对压电结构振动控制系统的一类执行单元“MFC压电作动器”的应力场致功能退化问题，实验研究了MFC在受到静态、动态应力场作用后作动功能和传感功能退化规律，发现当应力载荷方向平行于MFC压电陶瓷纤维极化方向时，静态压应力比拉应力更容易造成MFC的功能退化。静态压应力加载下，70MPa是能够保证MFC有效作动功能和传感功能的许用应力极限；静态拉应力情形下，许用应力极限为80MPa。在动态循环应力载荷作用下，应力载荷幅值为12MPa时，MFC的作动功能退化不明显，类似的MFC的传感功能退化也不明显，当循环应力载荷幅值高于此应力幅值时，随着循环载荷数的增加MFC的作动功能会发生持续的退化而后达到一个相对稳定的水平。研究表明，压电材料的压电性能退化与MFC的作动功能退化符合线性映射关系，无论静态和动态应力载荷作用，两者的映射关系均可用线性表达式表示。采用回归分析法和径向基（RBF）神经网络法建立了MFC受到静态、动态应力载荷作用后的功能退化预测模型，模型建立使用了部分实验测试数据，另一部分实验数据用于对预测模型的预测结果进行对比检验。通过与实验数据的对比表明，采用两种方法建立的MFC功能退化预测模型对应力场致作动功能退化都具有较高的预测精度，其中静态应力载荷作用后MFC功能退化模型预测相对误差都小于5%，同时对比分析发现，RBF神经网络模型比回归模型的精度高。最后根据建立的应力场致压电作动器功能退化预测模型，针对飞机垂尾抖振响应压电主动控制系统中的MFC压电作动器，开展了抖振载荷作用下MFC作动功能寿命预测方法研究，建立了服役条件下压电作动器功能寿命预测方法。本项目研究获得了MFC压电作动器应力场功能退化现象的第一手数据资料，项目的研究结果对压电结构振动控制技术在航空结构振动控制方面的应用具有支撑意义。