基于模态衍生与结构拓扑的压电自致动机构形态创构及优化方法

Generally, piezoelectric actuator uses the superposition of two or more vibration modes of the actuator body to work. During the process of superposition, structure parameters of the actuator are supposed to be adjusted to realize the frequency degeneration of different vibration modes. This process brings about a problem that the actuator can not be optimized and miniaturized according to the practical situation. In view of this problem, based on the fact that the vibration mode of the actuator can exist along with the vibration mode of the elastic topology structure, this project proposes the structure configuration and optimal method of piezoelectric self-actuated mechanism on the strength of modal derivation and structure topology. Here are the research considerations. Considering the plenty vibration modes of the elastic topology structure, use the vibration mode of the actuator body to generate the derived vibration mode of the elastic topology structure. By setting flexible coupling joint, the control of vibration coupling of the actuator body and the elastic topology structure will be achieved. And output displacement of certain area of elastic topology structure will be eventually obtained. In addition, analytic models of vibration coupling, flexible decoupling, and energy conversion and dissipation of the piezoelectric self-actuated mechanism will be built, and a multipurpose optimal method will be proposed based on the analytic models. The specialty of this project lies in the point that using modal derivation and flexible uncoupling techniques to enable the piezoelectric self-actuated mechanism to achieve the driving function, which makes the frequency degeneration expendable and makes the piezoelectric self-actuated mechanism able to be optimized and miniaturized flexibly according to the practical situation.

压电驱动器通常采用驱动器本体多个振动模态复合进行工作。模态复合时，需通过调整驱动器的结构参数实现频率简并，这导致了驱动器不能按照实际工况进行结构优化和小型化设计。鉴于此，本项目基于压电驱动器振动模态与弹性拓扑结构局部振动模态可共存的事实，提出基于模态衍生与结构拓扑的压电自致动机构形态创构及优化方法。研究思路为：结合弹性结构振动模态的丰富性，利用压电驱动器本体振动模态激励出弹性结构的衍生振动模态，通过设置柔性耦合环节实现压电驱动器本体与弹性拓扑结构的耦合振动控制，实现弹性结构特定区域位移输出；进一步建立压电自致动机构的耦合振动、柔性解耦、能量转换及耗散模型；基于所建立模型，提出一套压电自致动机构的多目标优化方法。本项目的特色在于：利用模态衍生和柔性解耦技术，实现了压电自致动机构的驱动功能，整个过程无需频率简并，使得压电自致动机构能够根据实际工况灵活地进行结构优化和小型化设计。

谐振式压电驱动器设计时，通常需要通过对不同的固有振动模态进行频率简并。频率简并时，需要通过不断调整模态特征频率的敏感参数，达到不同固有振动模态特征频率的协调一致。频率简并带来压电驱动器灵活调整自身结构尺寸、并实现优化设计问题。针对上述问题，项目提出基于模态衍生与结构拓扑的压电自致动机构的设计思想，将压电驱动器本体与弹性拓扑结构相结合，巧妙避开了频率简并的过程，使得压电自致动机构能够根据实际工况灵活地进行结构优化和小型化设计，为谐振式压电驱动器难以灵活设计、优化的问题提供了一条有效的解决思路。主要研究内容包含：(1) 压电自致动机构的融合设计、模态衍生与结构拓扑的研究；(2) 压电自致动机构耦合振动及柔性解耦的研究；(3) 压电自致动机构能量转换和耗散机理研究；(4) 模态衍生与结构拓扑的压电自致动机构多目标约束优化方法研究。.项目具体实施过程中，进行了以下方面的研究：(1) 提出了3种压电自致动机构融合设计方案，深入研究了三种压电自致动机构的致动机理，并进行了初步的仿真分析；(2) 对压电自致动机构进行机械刚度和机械阻尼等效，并对柔性弱耦合环节的振动耦合效应的影响进行研究，进一步对所提出的3种压电自致动机构中柔性弱耦合环节的耦合强度进行合理控制和分配。（3）对压电自致动机构的定子和动子之间间歇接触过程的摩擦耦合和能量传递过程进行数学建模，提出改善压电自致动机构摩擦耦合环节输出和能量耦合的途径。（4）提出了一种采用分区激励形式激励的弯振复合型压电致动机构的新方法，以有效机电耦合系数最优为目标，对压电致动机构进行优化设计。 (5) 开发了一种扭转-中心对称弯曲-对称弯曲振动的十字形两自由度线性压电驱动器，实现了压电自致动机构的高机械性能输出。(6) 本项目实际执行过程中相关研究也进行了一定程度的拓展，提出并研制了一种十字交叉梁结构的矢量水听器。