基于压电柔顺机构的高频响大负载激振机理及其动力学特性研究

The combined effects of flight mechanical environment have complicated and unclear impacts on weapons and spacecraft, and ground-based testing of combined vibration and overloading(also namely centrifuge) is a internationally hot topic. However, there are many disadvantages about the traditional electromagnetic vibrafuge, and it is also difficult to realize the combination of multi-dimensional vibration and dynamic overloading in a electromagnetic vibrafuge. Based on our previous investigation on the piezoelectric-actuated and flexure-based vibrafuge, this project will focus on the study of the large-load and high-frequency vibration generating mechanism and dynamic performance of piezoelectric actuated compliant mechanism. Specifically, we will carry out three aspects of studies: the first is to design a compliant mechanism with large displacement amplification and high fundamental natural frequency, its principle of vibrating and influence factors will also be investigated. Secondly, the comprehensive influence of geometric parameters and pre-stress on the vibration response of piezoelectric actuated compliant mechanism will be identified. And at last, the combined dynamic performance of piezoelectric compliant mechanism subjected to overloading will be systematically investigated and the hidden mechanism of the phenomenon of control overproof will be explored to achieve an analytical understanding. The results will provide a theoretical guidance and quantitative mechanical analysis method for engineering design. The proposed research is also a new exploration on applying piezoelectric compliant mechanisms to cases with large load and high frequency response.

武器和航天器受飞行过程的复合力学环境效应影响严重，在地面模拟振动-过载复合环境以考核产品性能一直受到国内外的重点关注。然而现有的电磁式振动离心机存在激振系统重量大等不足，工程上也很难实现多维振动与动态过载的复合。基于我们前期关于压电式振动-过载复合力学环境试验模拟新方法的探索，本课题拟深入研究压电柔顺机构用于高频响、大推力激振的机理及其动力学行为，具体包括三方面的研究内容：设计高频响和较大位移的大负载压电柔顺机构并定量研究其激振机理和影响因素；结合动力学理论建模和实验研究，探讨结构参数和预紧力等因素对压电柔顺机构激振响应的综合作用规律；进一步研究离心场下压电柔顺机构激振系统的复合动力学特性，挖掘前期实验中控制超差现象的动力学内因，实现解析上的理解，为将来振动-过载复合试验装置工程设计提供理论指导和定量的力学分析方法。本课题的开展同时也是压电柔顺机构在大负载、高频响应用方面的一个新探索。

武器和航天器受飞行过程的复合力学环境效应影响严重，在地面模拟振动-过载复合力学环境以考核产品性能一直受到国内外的重点关注。然而现有的电磁式振动离心机存在激振系统重量大等不足，工程上也很难实现多维振动与动态过载的复合。针对该问题，本课题深入研究了压电柔顺机构用于离心场下高频响、大推力激振的机理及其动力学行为，具体开展了三方面研究内容：（1）从力学角度揭示了多级位移放大柔顺机构的位移衰减规律，提出一种固端约束型压电位移放大柔顺机构新构型，实现了2.2kHz共振频率和0.6mm输出位移的压电柔顺机构拓频增幅；（2）系统发展了柔顺机构静动力学一体化分析的频率域动力刚度建模理论方法，并提出柔顺机构的二端口动力刚度模型思路，避免了繁琐的运动学求解且精准简洁。结合刚柔耦合动力学理论，将动力刚度矩阵拓展到具有集中柔度柔顺机构的动力学建模分析；（3）基于解析模型、有限元仿真和实验测试，系统探讨了结构参数、离心力等因素对压电柔顺机构激振响应的综合作用规律，研究了离心场下压电柔顺机构激振系统的复合动力学特性，分析清楚了实验中控制超差现象的动力学内因。本课题提出的柔顺机构动力刚度建模理论方法，为柔顺机构静、动力学分析设计提供了一套精准简洁的解决方案，设计的新型压电位移放大柔顺机构及应用申请3项国家发明专利，实现了国防基础重点项目提出的离心场压电柔顺机构大负载激振(课题编号JSHS2018212C001)，并应用于中国工程物理研究院X装备关键部组件的飞行振动-过载复合力学环境地面模拟试验。本课题研究结果以第一/通讯作者在机械工程领域专业知名期刊IEEE/ASME T. Mech.、MMT、MSSP、JSV、PE等发表学术论文11篇，基金资助下参加国际/国内学术会议6次，其中1篇论文获首届川渝科技学术大会优秀论文三等奖，期间受邀担任MeTrApp2019国际会议柔顺机构分会共同主持人(Co-Chairs)；与三位国内外学者合作在力学领域知名综述性期刊Applied Mechanics Reviews发表长篇综述对柔顺机构力学建模理论的研究进展进行了总结与评述。