新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究【說明書+SOLIDWORKS】,說明書+SOLIDWORKS,新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究【說明書+SOLIDWORKS】,新型,蝴蝶,胡蝶,壓電,懸臂梁,發(fā)電,性能,機能,研究,鉆研,說明書,仿單,solidworks 課題:新型蝴蝶式新型蝴蝶式壓電懸臂梁的臂梁的發(fā)電性能研究性能研究導(dǎo)導(dǎo) 師師:答答答答辯辯人人人人:專專 業(yè)業(yè):論文框架文框架研究背景研究背景1234新型蝴蝶式壓電懸臂梁的模型構(gòu)建新型蝴蝶式壓電懸臂梁的模型構(gòu)建蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的實驗研究蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的實驗研究蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析5總結(jié)總結(jié)研究背景研究背景近近現(xiàn)代以來，代以來，產(chǎn)品的品的發(fā)展展趨于小型化、微型化與集成化，而能源供于小型化、微型化與集成化，而能源供應(yīng)問題已成已成為制制約產(chǎn)品微型化技品微型化技術(shù)發(fā)展的瓶展的瓶頸，其微型化，其微型化問題受到普遍的關(guān)注。受到普遍的關(guān)注。傳統(tǒng)的化學(xué)的化學(xué)電池因其壽命短、池因其壽命短、經(jīng)常需要充常需要充電和更和更換而逐而逐漸不能不能滿足于市足于市場的的要求。而要使微要求。而要使微電子子產(chǎn)品真正品真正實用化用化,制造出高制造出高質(zhì)量、高功率能量密度的微能量、高功率能量密度的微能源器件是當前的關(guān)源器件是當前的關(guān)鍵之所在。之所在。目前目前,微能源的研究和開微能源的研究和開發(fā)主要有微主要有微熱光光電(TPV)系系統(tǒng)、微內(nèi)燃機系、微內(nèi)燃機系統(tǒng)、微太陽能微太陽能電池、微池、微鋰電池、微燃料池、微燃料電池、微池、微熱電系系統(tǒng)等，但大多數(shù)的能量解等，但大多數(shù)的能量解決方案只適用于短壽命周期。因此，一些科研機構(gòu)著手研究基于機械能的集決方案只適用于短壽命周期。因此，一些科研機構(gòu)著手研究基于機械能的集能系能系統(tǒng),結(jié)果果證明明:從機械振從機械振動中中獲得能量是切得能量是切實可行的。盡管可行的。盡管產(chǎn)生的生的電力微力微小小,正常在微瓦到毫瓦正常在微瓦到毫瓦標準之準之間,但已但已經(jīng)足足夠于微功耗系于微功耗系統(tǒng)的使用。要將機械振的使用。要將機械振動轉(zhuǎn)化化為電能所采用的方法一般有能所采用的方法一般有3種種:靜靜電式、式、電磁式和磁式和壓電式。目前，式。目前，電磁式感磁式感應(yīng)技技術(shù)是比是比較成熟的一種成熟的一種發(fā)電技技術(shù)，轉(zhuǎn)換能量也大，但其能量也大，但其結(jié)構(gòu)復(fù)構(gòu)復(fù)雜，體體積龐大，不適合微大，不適合微電系系統(tǒng)。而靜。而靜電式在其能量式在其能量轉(zhuǎn)換時需要一個獨立的需要一個獨立的電壓源。相比于前兩種，源。相比于前兩種，壓電式式發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，工作，工作環(huán)境要求低，無需初始境要求低，無需初始電壓，主要是依靠，主要是依靠環(huán)境中的機械能境中的機械能進行行轉(zhuǎn)換，是一種新型，是一種新型環(huán)保能源。保能源。壓電式式發(fā)電能量的能量的獲得是通得是通過壓電效效應(yīng)把機械能把機械能轉(zhuǎn)換為電能。能。壓電轉(zhuǎn)換方法不需方法不需額外外電源，易微型化，其能量源，易微型化，其能量轉(zhuǎn)換可以達到相可以達到相對較高的高的電壓和功率和功率密度，且適合于密度，且適合于長壽命周期的微功耗的壽命周期的微功耗的電子器件，具有非常廣子器件，具有非常廣闊的的應(yīng)用前景。用前景。新型蝴蝶式新型蝴蝶式壓電懸臂梁的模型構(gòu)建臂梁的模型構(gòu)建簡單了解了解壓電發(fā)電的基本原理，用的基本原理，用Solid-works軟件構(gòu)件構(gòu)建出以下模型：建出以下模型：質(zhì)量塊壓電片螺母基座基板螺栓蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的裝置的實驗研究研究對蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置構(gòu)建裝置構(gòu)建實驗平臺，平臺，記錄如下數(shù)據(jù)如下數(shù)據(jù)為驗證ANSYS有限元模型的正確性：有限元模型的正確性：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析簡單了解了解ANSYS有限元的使用，通有限元的使用，通過有限元有限元軟件件進行行壓電發(fā)電裝置的靜力分析和模裝置的靜力分析和模態(tài)分析。以下分析。以下為ANSYS靜靜力分析步力分析步驟：（1）、打開）、打開ANSYS WORKBENCH，界面如下：，界面如下：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（2）、雙）、雙擊主界面主界面toolbox中中Static Structural，出，出現(xiàn)如下界面：如下界面：（3）、添加材料）、添加材料 雙雙擊A2欄Engineering Data項，進入材料添加界面，添加新材料入材料添加界面，添加新材料鈹青青銅和和PZT-5H，設(shè)置置鈹青青銅和和PZT-5H密度，密度，彈性模量以及泊松比。材料性性模量以及泊松比。材料性質(zhì)如下表：如下表：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析 (4)、返回主界面，、返回主界面，導(dǎo)入幾何體：右入幾何體：右擊A3欄Geometry，選擇Import GeometryBrowse命令，命令，選擇模型。模型。(5)、修改模型材料屬性：雙、修改模型材料屬性：雙擊A4欄Model，進入入Static Structural-Mechanical界面。界面。選擇分析分析樹中中Geometry，選擇每一個零件，即可修改材料參數(shù)，將每一個零件，即可修改材料參數(shù)，將懸臂梁材料臂梁材料選為鈹青青銅，壓電片片為PZT-5H蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（6）選擇坐坐標系：默系：默認。（7）定）定義接觸區(qū)域：依據(jù)接觸區(qū)域：依據(jù)懸臂梁的振臂梁的振動要求，將所有接觸定要求，將所有接觸定義為系系統(tǒng)默默認的的Bonded。（8）定）定義網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)格：網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)格：選擇模型模型進行網(wǎng)格劃分。行網(wǎng)格劃分。（9）施加固定）施加固定約束：右束：右擊Static StructuralInsertFixed Support，選擇約束面束面約束。束。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（10）施加位移）施加位移載荷。荷。（11）結(jié)果后果后處理（理（設(shè)置求解置求解項）：在）：在Solution中中選擇插入插入Equivalent Stress，Equivalent Elastic Strain，Directional Deformation，分，分別求解求解應(yīng)力，力，應(yīng)變，和定，和定向位移。向位移。靜力分析靜力分析結(jié)果如下：果如下：（1）、）、應(yīng)力分布力分布蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（2）、）、應(yīng)變分布分布（3）、）、X,Z方向的定向方向的定向變形：形：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析模模態(tài)分析：分析：u模模態(tài)分析求解分析求解過程與靜力分析基本程與靜力分析基本類似，除了幾下幾點：似，除了幾下幾點：u1）無激勵作用，無）無激勵作用，無預(yù)應(yīng)力力u2）結(jié)果后果后處理（理（設(shè)置求解置求解項）求解求解總變形形Total Deformation：（1）、一）、一階模模態(tài)：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（2）、二）、二階模模態(tài)：（3）、三）、三階模模態(tài)：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（4）、四）、四階模模態(tài)：各各階模模態(tài)的固有的固有頻率：率：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析結(jié)果與果與實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)對比：比：改改變質(zhì)量量塊大小使大小使質(zhì)量量塊質(zhì)量量為22g，對其其進行一介模行一介模態(tài)分析，分析，測得其一得其一階模模態(tài)固有固有頻率率為55.341Hz，在，在實驗中得到中得到質(zhì)量量塊為22g時，一，一階模模態(tài)固有固有頻率率為56.73 Hz，兩者比，兩者比較接近，接近，誤差在差在2%左右。由此也左右。由此也說明有限元模明有限元模擬結(jié)果與果與試驗結(jié)果相差不大。果相差不大。蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的裝置的優(yōu)化：化：影響影響壓電發(fā)電裝置的裝置的發(fā)電性能有很多因素，而由于梁的性能有很多因素，而由于梁的長度、度、寬度、度、厚度、材料以及施加的位移厚度、材料以及施加的位移載荷荷對壓電發(fā)電裝置性能的影響可以通裝置性能的影響可以通過固有固有頻率就可以看出，因此我率就可以看出，因此我們只只討論這些因素些因素對壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響。性能的影響。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析梁梁長度度對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響：性能的影響：設(shè)定定懸臂梁的臂梁的寬度度為20mm，厚度，厚度為0.4mm，在不改，在不改變梁的梁的寬度、度、厚度、厚度、質(zhì)量量塊質(zhì)量以及量以及壓電片大小的前提下，片大小的前提下，單獨分析梁的獨分析梁的長度度對壓電發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)諧振振頻率的影響。分率的影響。分別取取100mm，110mm，120mm，130mm，140mm長度的度的懸臂梁，臂梁，對其一其一階固有固有頻率率進行仿真分析。行仿真分析。由由圖看出：在看出：在應(yīng)力力許可的條件下，可的條件下，應(yīng)選擇長度度較長的的懸臂梁。臂梁。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析梁梁寬度度對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響：性能的影響：設(shè)定定懸臂梁的臂梁的長度度為100mm，厚度，厚度為0.4mm，在不改，在不改變梁的梁的長度、度、厚度以及厚度以及質(zhì)量量塊質(zhì)量的前提下，量的前提下，單獨分析梁的獨分析梁的寬度度對壓電發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)諧振振頻率的影響。分率的影響。分別取取20mm，22mm，24mm，26mm，28mm寬度的度的懸臂梁，臂梁，對其一其一階固有固有頻率率進行仿真分析。行仿真分析。由由圖看出：在看出：在應(yīng)力力許可的條件下，可的條件下，應(yīng)選擇寬度度較窄的窄的懸臂梁。臂梁。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析梁厚度梁厚度對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響：性能的影響：設(shè)定定懸臂梁的臂梁的長度度為100mm，寬度度為20，在不改，在不改變梁的梁的長度、度、質(zhì)量量塊質(zhì)量以及量以及壓電片大小的前提下，片大小的前提下，單獨分析梁厚度獨分析梁厚度對壓電發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)諧振振頻率的影響。分率的影響。分別取取0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，對其一其一階固有固有頻率率進行仿真分析。行仿真分析。由由圖看出：在看出：在應(yīng)力力許可的條件下，可的條件下，應(yīng)選擇厚度厚度較薄的薄的懸臂梁。臂梁。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析 梁形狀梁形狀對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響：、性能的影響：、設(shè)定定懸臂梁的臂梁的長度度為100mm，寬度度為30mm，厚度，厚度為0.4mm，在不，在不改改變梁的梁的長度、度、寬度、厚度、度、厚度、質(zhì)量量塊質(zhì)量以及量以及壓電片大小的前提下，片大小的前提下，單獨分析梁的形狀獨分析梁的形狀選擇對壓電發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)諧振振頻率的影響。形狀率的影響。形狀為橢圓，矩形，三角形，梯形，梁形狀，并，矩形，三角形，梯形，梁形狀，并對其一其一階固有固有頻率率進行仿真行仿真分析。分析。由由圖看出：在看出：在應(yīng)力力許可的條件下，可可的條件下，可選擇三角形的三角形的懸臂梁。臂梁。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析位移位移載荷荷對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置應(yīng)力的影響：力的影響：設(shè)定定懸臂梁的臂梁的長度度為100mm，寬度度為20mm，厚度，厚度為0.4mm，在不，在不改改變梁的梁的長度、度、寬度、厚度以及度、厚度以及壓電片大小的前提下，片大小的前提下，單獨分析位移獨分析位移載荷荷對壓電發(fā)電裝置裝置應(yīng)力的影響。分力的影響。分別取取2mm，4mm，6mm，8mm，10mm的位移的位移載荷，荷，對其最大其最大應(yīng)力力進行仿真分析。行仿真分析。由由圖看出：通看出：通過在在懸臂梁兩端增加位移臂梁兩端增加位移載荷可有效提高梁的荷可有效提高梁的應(yīng)力，力，從而提高裝置的從而提高裝置的發(fā)電能力。能力。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析優(yōu)化化結(jié)果：果：通通過ANSYS的靜力分析和模的靜力分析和模態(tài)分析得出如下分析得出如下結(jié)論：在：在應(yīng)力力許可條件下，可條件下，應(yīng)選擇長度度較長、寬度度較窄、厚度窄、厚度較薄的三角形薄的三角形懸臂梁，并盡可臂梁，并盡可能施加能施加較大的位移大的位移載荷。荷。總結(jié)本本論文的主要研究文的主要研究結(jié)果如下：果如下：u1、了解了、了解了壓電發(fā)電的的發(fā)展展歷史以及國內(nèi)外史以及國內(nèi)外壓電發(fā)電的的發(fā)展展現(xiàn)狀，狀，對壓電發(fā)電的模型的模型結(jié)構(gòu)構(gòu)進一步的探索，從而建立了新一步的探索，從而建立了新型蝴蝶式型蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的裝置的Solid-woks模型。模型。u2、通、通過實驗平臺的建立，平臺的建立，對新型蝴蝶式新型蝴蝶式壓電懸臂梁做臂梁做實驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的記錄，以，以獲得得對ANSYS有限元模型數(shù)據(jù)的有限元模型數(shù)據(jù)的對比分析，比分析，從而從而驗證有限元模型的正確性。有限元模型的正確性。u3、基于、基于ANSYS有限元有限元軟件，利用件，利用Solid-works三三維軟件及件及ANSYS Workbench建立了蝴蝶式建立了蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有裝置的有限元模型，并限元模型，并對其其進行行詳細的靜力分析和模的靜力分析和模態(tài)分析，分析，記錄其其數(shù)據(jù)。在此基數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，上，對模型模型進行行優(yōu)化化設(shè)計，分，分別從從長度、度、寬度、厚度、材料和位移度、厚度、材料和位移載荷五個方面來荷五個方面來討論，得出的，得出的結(jié)論為：在在應(yīng)力力許可條件下，可條件下，應(yīng)選擇長度度較長、寬度度較窄、厚度窄、厚度較薄薄的三角形的三角形懸臂梁，并盡可能施加臂梁，并盡可能施加較大的位移大的位移載荷。荷。懸臂梁長度（mm）頻率（Hz）懸臂梁寬度（mm）頻率（Hz）頻率（Hz）懸臂梁厚度（mm）頻率（Hz）頻率（Hz）位移載荷（mm）10041.5072041.5070.215.628211034.6832246.060.327.82412030.9242447.5610.441.507613026.0012648.9210.556.28814022.712850.0530.671.9161041.50734.68330.92426.00122.71100 110 120 130 140051015202530354045懸臂梁長度（mm）頻率（Hz）41.50746.0647.56148.92150.05320 2224 262840424446485052懸臂梁寬度（mm）頻率（Hz）15.62827.8241.50756.2871.9160.2 0.3 0.4 0.5 0.601020304050607080懸臂梁厚度（mm）頻率（Hz）161.87321.53485.6647.46809.342468100100200300400500600700800900位移載荷（mm）最大應(yīng)力（MPa）最大應(yīng)力（MPa）蝴蝶式經(jīng)典蝴蝶式經(jīng)典161.870242.13237.120.120.08321.531571.0467.810.50.47485.62256.7360.010.750.7647.462940.143.321.030.87809.343634.2932.92.022.234331.7827.633.122.973.94.11242.1371.0456.7340.134.2931.78237.1267.8160.0143.3232.927.630 15 22 29 36 43050100150200250300質(zhì)量塊質(zhì)量（g）固有頻率（Hz）蝴蝶式經(jīng)典蝴蝶式經(jīng)典1.882.112.993.985.013.893.012.012.083.124.115.214.022.8913 570123456頻率（Hz）峰值電壓（V）蝴蝶式經(jīng)典161.87321.53485.6647.46809.342468100100200300400500600700800900位移載荷（mm）最大應(yīng)力（MPa）蝴蝶式經(jīng)典1.882.01橢圓48.9082.112.08矩形51.0162.993.12三角形43.1873.984.11梯形45.535.015.213.894.023.012.8948.90851.01643.18745.53橢圓矩形三角形梯形3941434547495153懸臂梁形狀頻率（Hz）1.882.112.993.985.013.893.012.012.083.124.115.214.022.8913 570123456頻率（Hz）峰值電壓（V）蝴蝶式經(jīng)典 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 前期工作材料 學(xué) 生 姓 名： 學(xué)號： 教 科 部： 機 械 力 學(xué) 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 設(shè)計（論文）題目：新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 指 導(dǎo) 老 師： 材 料 目 錄 序號 名 稱 數(shù)量 備注 1 畢業(yè)設(shè)計（論文）選題、審題表 1 2 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 1 3 畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)調(diào)研報告 1 4 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告（含文獻綜述） 1 5 畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯（含原文） 1 6 畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 1 2014 年 3月 12日 題目申報表 設(shè)計（論文）題　目 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 題目類型 1 題目來源 A 面向?qū)I(yè) 機械設(shè)計制造 及其自動化 指導(dǎo)教師 職稱 副教授 學(xué)位 博士 從事專業(yè) 工程力學(xué) 題目簡介： 本課題首先搭建新型蝴蝶式壓電懸臂梁的振動與發(fā)電實驗裝置，研究裝置的固有頻率和在外界激振條件下的輸出發(fā)電電壓情況。運用ANSYS有限元軟件，建立發(fā)電裝置的機電耦合有限元模型，對新型蝴蝶式壓電懸臂梁在給定激勵下的模態(tài)、振型，包括應(yīng)力、應(yīng)變等進行有限元計算。在有限元分析的基礎(chǔ)上，對蝴蝶式懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式、壓電片的分布等進行參數(shù)化研究，分析支撐結(jié)構(gòu)的組成形式、壓電陶瓷的數(shù)量、厚度、排列方式等參數(shù)對輸出應(yīng)變大小的影響，最終確定最合理的設(shè)計方案。 審核意見： 審核人簽名： 年 月 日 題目類型－－1、為結(jié)合科研；2、為結(jié)合生產(chǎn)實際；3、為結(jié)合大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃；　 4、為結(jié)合學(xué)科競賽；5、模擬仿真；6、其它 題目來源－－A.指導(dǎo)教師出題 ； B.學(xué)生自定、自擬 任務(wù)書 教 科 部： 機 械 力 學(xué) 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名: 學(xué)號: 畢業(yè)（論文）題目：新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 起 迄 日 期： 設(shè)計（論文）地點： 學(xué)院機房、結(jié)構(gòu)測試與分析研究室 指 導(dǎo) 老 師： 專 業(yè) 負 責(zé) 人： 發(fā)任務(wù)書日期： 2014年 2月22日 任務(wù)書 論文題目 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 年級 專業(yè) 機械設(shè)計制造 及其自動化 學(xué)生姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容： 1.能夠運用現(xiàn)代的測試設(shè)備與儀器進行機械結(jié)構(gòu)的振動、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)的測試與處理，能夠熟練運用大型有限元軟件進行數(shù)值分析并能夠簡單的改進或優(yōu)化設(shè)計； 2.搭建新型蝴蝶式壓電懸臂梁的振動與發(fā)電實驗裝置，研究裝置的固有頻率和在外界激振條件下的輸出發(fā)電電壓情況。運用ANSYS有限元軟件，建立發(fā)電裝置的機電耦合有限元模型，對新型蝴蝶式壓電懸臂梁在給定激勵下的模態(tài)、振型，包括應(yīng)力、應(yīng)變等進行有限元計算； 3. 在有限元分析的基礎(chǔ)上，對蝴蝶式懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式、壓電片的分布等進行參數(shù)化研究，分析支撐結(jié)構(gòu)的組成形式、壓電陶瓷的數(shù)量、厚度、排列方式等參數(shù)對輸出應(yīng)變大小的影響，最終確定最合理的設(shè)計方案； 4.查閱文獻15篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料； 5.撰寫開題報告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等； 6.撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬字。 主要任務(wù)及基本要求（包括指定的參考資料）： 主要任務(wù)及基本要求： 1、撰寫開題報告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等； 2、查閱文獻14篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料； 3、熟練運有限元分析軟件； 4、能夠運用MSC/DYTRAN或ANSYS有限元軟件建立簡單結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過計算獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變場分布規(guī)律； 5、撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬字。 主要參考文獻： [1]溫志渝，溫中泉等，振動式壓電發(fā)電機及其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[Z],國家“863”資助項目. [2]伍曉明 ,方華軍等，用于振動能量收集的 MEMS壓電懸臂梁[J]，功能材料與器件學(xué)報，2008.04(02)：467-471. [3]唐可洪,闞君武等，遙控器用壓電發(fā)電裝置的供電特性[J]，光學(xué)精密工程，2008.01（01）：92-96. [4]闞君武 ,唐可洪等，壓電懸臂梁發(fā)電裝置的建模與仿真分析[J]，光學(xué)精密工程，2008.01（01）：71-75. [5]方科, 李欣欣等，壓電式能量獲取裝置的研究現(xiàn)狀[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2006（10）：7-15. [6]袁江波，謝濤等，壓電俘能技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J]，振動與沖擊，2009.10（10）：36-41. [7]魏雙會,褚金奎, 杜小振，壓電發(fā)電器建模研究[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2008（06）：27-30. [8]林玲，劉輝，壓電發(fā)電技術(shù)研究應(yīng)用[M]，應(yīng)用科學(xué). [9]王光慶，壓電疊堆式發(fā)電裝置的建模與仿真分析[J]，中國機械工程，2009.10上（19）：2298-2304. [10]楊擁民，張玉光等，基于壓電陶瓷的振動能量捕獲技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]，中國機械工程，2009.1上（1）：113-117. [11]Salem Saadon , Othman Sidek，A review of vibration-based MEMS piezoelectric energy harvesters[J]，Energy Conversion and Management，2011（52），500-504. [12]Tao Yang, Yi Lin, Xianji Tan, and Yuehui Feng，Modeling and Analysis of Piezoelectric Bimorph Cantilever Used for Vibration Energy Harvesting[J]，IEEE，2010.6：1783-1788. [13]D. Bla?evi_, S. Zelenika and G. Gregov，Mechanical analysis of piezoelectric vibration energy harvesting devices[J]，MIPRO,2010.5:122-126. [14]Z. S. Chen, Y. M. Yang and G. Q. Deng，Analytical and Experimental Study on Vibration Energy Harvesting Behaviors of Piezoelectric Cantilevers with Different Geometries[M], National Natural Science. [15]Lenk,A. Elektromechanische Systrme. Band 2:Systeme mit verteilten Parametern［M］Berlin：VEB verlag Technik,1977． 發(fā)出任務(wù)書日期： 2014年2月22日　　　　　　完成期限：2014年6月4日 指導(dǎo)教師簽名：　　　　　　　　　　　　　　專業(yè)主任簽名： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日 實習(xí)調(diào)研報告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué)號： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指 導(dǎo) 老 師： 參觀實習(xí)報告 2014年3月26日，在老師的帶領(lǐng)下我們來到了揚州保來得科技實業(yè)有限公司，這也是我們畢業(yè)前的最后一次參觀實習(xí)。這次實習(xí)也讓我在進入社會之前積累了不少的經(jīng)驗。大學(xué)是一個教育我、培養(yǎng)我、磨練我的圣地，我為我能在此生活而倍感榮幸。而社會是一個很好的鍛煉人的基地，能將學(xué)校學(xué)的知識聯(lián)系于社會。實習(xí)是學(xué)生接觸社會，了解社會，服務(wù)社會，運用所學(xué)知識實習(xí)自我的最好途徑。親身實習(xí)，而不是閉門造車。實現(xiàn)了從理論到實習(xí)再到理論的飛躍。增強了認識問題，分析問題，解決問題的能力。為認識社會，了解社會，步入社會打下了良好的基礎(chǔ)。 一 、實習(xí)目的： 對于一名大學(xué)生來說畢業(yè)實習(xí)是一個很關(guān)鍵的學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是一個很好的鍛煉機會。對于我們來說，平常學(xué)到的都是書面上的理論知識，而畢業(yè)實習(xí)正好就給了我們一個在投身社會工作之前把理論知識與實際設(shè)計聯(lián)系起來的機會，畢業(yè)實習(xí)作為學(xué)校老師為我們安排的在校期間最后一次全面性、總結(jié)性的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，它既讓我們看到實際生活中設(shè)計生產(chǎn)狀況，也是我們在就業(yè)之前的“實戰(zhàn)預(yù)演”，我們可以從中看到的不僅僅是一個車間的生產(chǎn)運作過程，還有大量實際設(shè)計方面的知識，以及我們還十分缺乏的實際經(jīng)驗都包含在每個生產(chǎn)設(shè)計過程中，通過實習(xí)能夠使我們更好的完善自己。畢業(yè)實習(xí)很短，但無論是對我的畢業(yè)設(shè)計還是今后的工作，都帶來了很大的幫助。 二、企業(yè)簡介： 揚州保來得科技實業(yè)有限公司是由保來得（香港）工業(yè)股份有限公司與揚州盛得機械有限公司于1992年合資成立，總投資額為6168萬美元,注冊資本2221.05萬美元。產(chǎn)品70%以上外銷,現(xiàn)年銷售額達6億RMB。公司專業(yè)生產(chǎn)高精度、高品質(zhì)的粉末冶金專業(yè)制品，產(chǎn)品涵蓋汽車零部件、電動工具零件、家電零件、OA零件和電機含油軸承等，主要應(yīng)用于微電機、家用電器、電動工具、減震器、汽車發(fā)動機零件等領(lǐng)域。 三、實習(xí)內(nèi)容： 來到車間首先看到的是一臺臺機床在工人師傅的操作下生產(chǎn)在一件件產(chǎn)品。對于未入社會的我們來說很少有機會能夠自己親眼看見一件產(chǎn)品的誕生，而這次實習(xí)最主要的內(nèi)容就是讓我們了解產(chǎn)品從加工到銷售的一系列過程。在參觀實習(xí)的過程中遇到了很多在書本上學(xué)到的理論知識的應(yīng)用，而通過這些實際現(xiàn)場的參觀，讓我對理論知識的理解得到了進一步的升華?？粗と藥煾凳炀毜牟僮骷记啥鳛橐幻麤]有什么操作經(jīng)驗的大學(xué)生來說，這些都是我們要學(xué)習(xí)的?？粗粡垙埡唵味謴?fù)雜的設(shè)計圖紙，我知道我們要走的路還有很長。 四、實習(xí)總結(jié)： 短短的實習(xí)參觀，雖然說沒有深入的了解其中的原理，但是也讓我認識到光有理論知識沒有實際經(jīng)驗對于機械行業(yè)來說是不行的。想要在機械行業(yè)做得好不僅需要扎實的理論基礎(chǔ)，也需要不怕苦的精神，吃的苦中苦，方位人上人。也是通過這次實習(xí)讓我明白眼高手低在機械行業(yè)是行不通的，除非你永遠只想在底層工作。作為即將畢業(yè)的大學(xué)生來說，缺少實際操作經(jīng)驗是我們最大的短處，如何避免短處就需要我們自己刻苦的努力來彌補這一短處。? 開題報告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 設(shè)計(論文)題目： 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 指 導(dǎo) 老 師： 2014年 3 月 12 日 開題報告 設(shè)計（論文）題　目 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 題目來源 指導(dǎo)老師出題 題目類型 為結(jié)合科研 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 開題報告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段、 內(nèi)容及時間安排；完成畢業(yè)設(shè)計（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達到的目的： （1）培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力； （2）培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力，主要包括設(shè)計、計算及繪圖能力； （3）培養(yǎng)學(xué)生的綜合運用專業(yè)理論知識，分析解決實際問題的能力； （4）培養(yǎng)學(xué)生的在設(shè)計過程中使用計算機的能力； （5）培養(yǎng)學(xué)生的撰寫設(shè)計說明書、論文的能力； （6）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。 本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進度計劃： 起止日期 工 作 內(nèi) 容 2014-02-22~2014-03-31 2014-04-1～2014-05-30 2014-06-01～2014-06-07 畢業(yè)設(shè)計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習(xí)調(diào)研和實習(xí)報告，完成開題報告； 進行畢業(yè)設(shè)計，學(xué)習(xí)有限元軟件的使用方法、進行理論計算與有限元模擬、分析模擬結(jié)果，接收畢業(yè)設(shè)計中期檢查，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文； 修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計期間的所有資料、成果并歸檔。 　 文 獻 綜 述 1、引 言 能源問題是當今最為關(guān)注的問題之一，各國科技工作者一直在努力尋找和開發(fā)新能源來解決缺乏和使用傳統(tǒng)能源時存在的問題。利用環(huán)境中的能量及人力發(fā)電為便攜式微功率電器及無線傳感器等提供實時的電能供給已成為國際上的一個研究熱點 。獲得電能的有效方法之一是利用壓電 、電磁及靜電原理捕獲環(huán)境中的機械能。與其它發(fā)電原理相比,壓電發(fā)電的最大優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單,易于制作成各種所需尺寸和形狀,便于與微系統(tǒng)集成或置于微機電系統(tǒng)的內(nèi)部。然而,目前壓電發(fā)電的輸出功率依然很有限,嚴重地阻礙了這一技術(shù)的更廣泛應(yīng)用,如何有效地提高壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力是未來幾年需要解決的關(guān)鍵問題。 利用每一種發(fā)電原理構(gòu)造的發(fā)電裝置都有其自身的特點和適用領(lǐng)域。壓電發(fā)電裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、易于加工制作和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化、集成化等,尤其適用于各類傳感及監(jiān)測系統(tǒng)。本課題提出利用新型蝴蝶式壓電懸臂梁型振子將機械能轉(zhuǎn)換成電能。通過參考一定的文獻了解壓電發(fā)電的可行性，這將涉及到材料力學(xué)、理論力學(xué)、機械設(shè)計等各方面學(xué)科的結(jié)合應(yīng)用。 2、壓電發(fā)電的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的發(fā)電裝置有兩種：電磁感應(yīng)發(fā)電與化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，電磁感應(yīng)發(fā)電主要有風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、火力發(fā)電等。化學(xué)反應(yīng)發(fā)電有燃料電池發(fā)電、太陽能發(fā)電等。而隨著人們環(huán)保意識的增強，人們對綠色能源的需求日益增長，而壓電發(fā)電就是這種新型的能源發(fā)電裝置。對于壓電發(fā)電的發(fā)展趨勢將向微能源器件、與其他技術(shù)集成,實現(xiàn)設(shè)備的自供電、與旋轉(zhuǎn)機械結(jié)合這些方面發(fā)展。 而對于壓電裝置的應(yīng)用不僅僅只能用來發(fā)電，可以結(jié)合其他的設(shè)備和科技成果進行新的應(yīng)用，如壓電發(fā)電技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機械結(jié)合、壓電式袖珍風(fēng)車、壓電發(fā)電鞋等等，都是對于壓電裝置的巧妙結(jié)合與應(yīng)用。而對于本次討論的主要為壓電裝置在發(fā)電方面的研究，新型蝴蝶式壓電懸臂梁是這方面典型的例子，對于壓電裝置首要的注意是壓電材料的選擇。 3、壓電材料的選擇 壓電材料對振動能量捕獲能力起著至關(guān)重要的作用。當前,壓電材料分為以下幾類:非鐵電性壓電晶體、鐵電性壓電晶體、壓電陶瓷、無機壓電鐵電薄膜、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料。其中最常用的壓電材料是鋯鈦酸鉛，又稱PZT，另一種常用壓電材料為聚偏氟乙烯（PVDF）.PZT薄膜和MEMS體硅工藝結(jié)合可以研制出壓電振動能量收集器?？捎糜谀芰渴占c轉(zhuǎn)化的環(huán)境能量有太陽能、振動機械能、溫度梯度等等。其中太陽能的利用已經(jīng)商業(yè)化,其他能源的收集技術(shù)仍在研究中。振動機械能是一種存在范圍很廣的能量形式,尤其在許多人們比較難以進入的地方都有振動源存在,研究振動能量收集技術(shù)具有更普遍的意義。 4、國內(nèi)外壓電發(fā)電研究的發(fā)展趨勢 針對壓電式能量獲取裝置的特殊優(yōu)點,國外已有很多研究機構(gòu)和著名大學(xué)在這方面展開了研究,如賓夕法尼亞州立大學(xué)的鐃鈸換能器、華盛頓大學(xué)的P3 微熱力發(fā)動機、麻省理工學(xué)院的微水動力傳感器、法國TIMA實驗室的懸臂量式壓電發(fā)電機等。維基尼亞科學(xué)家利用壓電材料制作的發(fā)電系統(tǒng)給電池充電，壓電振子在諧振工作條件下給一個40mAh電池充電時間不到1小時，利用隨機頻率充電需要個半小時的結(jié)果。 在國內(nèi)很多研究機構(gòu)也已經(jīng)開始研究壓電發(fā)電的開發(fā)與應(yīng)用，壓電發(fā)電應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，可以在無線傳感器，微型電子器械以及遙控器等方面得到很好的應(yīng)用。重慶大學(xué)的溫志渝，溫中泉等教授學(xué)者已對壓電發(fā)電在無線傳感器中的應(yīng)用進行了比較全面的論述。吉林大學(xué)的唐可洪,闞君武等教授學(xué)者也對壓電發(fā)電應(yīng)用與遙控器中提出了相應(yīng)的模型與理論分析。目前，國內(nèi)對于壓電發(fā)電的研究已經(jīng)比較成熟，很多機構(gòu)與科研人員也在這基礎(chǔ)上對壓電發(fā)電進一步的進行改進。 5、壓電發(fā)電的理論分析與研究 而對于壓電發(fā)電裝置在現(xiàn)實中能否，最主要的是首先進行建模與仿真分析，一般采用ANSYS軟件?；谇叭说难芯?，新型蝴蝶式壓電懸臂梁發(fā)電是對已有壓電發(fā)電裝置的應(yīng)用與改進。吉林大學(xué)闞君武等教授學(xué)者建立了單、雙晶壓電梁發(fā)電能力的仿真分析模型,研究了結(jié)構(gòu)尺寸、激勵方式及材料性能等對其發(fā)電能力的影響規(guī)律。研究表明,在基板材料及激勵條件相同時,存在不同的最佳厚度比使單、雙晶壓電梁發(fā)電能力最大,雙晶梁的最大發(fā)電量約為單晶梁的2倍?；宀牧喜煌瑫r,最佳厚度比隨著楊氏模量比增加而減小,鋁、鉬基板構(gòu)成的單、雙晶壓電梁的最佳厚度比分別為(0. 7 ,0. 35) 和(0. 45 ,0. 2) 。在相同的厚度比及外界激勵條件下,楊氏模量比對兩種壓電梁發(fā)電能力的影響不同,楊氏模量比低于3. 3 時,雙晶梁的發(fā)電量均大于單晶梁。 每種現(xiàn)實的科學(xué)成果都有相應(yīng)理論的支持。當壓電晶體在外力作用下發(fā)生形變時,在它的某些表面上出現(xiàn)異號極化電荷,這種沒有電場作用,只是由于應(yīng)變或應(yīng)力,在晶體內(nèi)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當在壓電晶體上加一電場時,晶體不僅要產(chǎn)生極化,還要產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力,這種由電場產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是壓電發(fā)電的基本原理，而對于壓電效應(yīng)的研究國內(nèi)外都已經(jīng)有了比較成熟的研究成果。 很多科研機構(gòu)與研究人員對于壓電發(fā)電的研究已經(jīng)不僅僅局限與理論的研究，而是已經(jīng)應(yīng)用于實際當中，理論的研究是對于實踐應(yīng)用的一部分，壓電效應(yīng)就是一個很好的例子，人們通過對于壓電效應(yīng)的分析與研究提出了壓電發(fā)電的設(shè)想，并且成功的應(yīng)用于實踐。 6、結(jié) 論 　　壓電發(fā)電裝置未來將成為一種主流的發(fā)電形式，而現(xiàn)在由于一些條件的限制，壓電發(fā)電能的應(yīng)用還局限于一定的范圍，然而隨著科技的發(fā)展與各國科技人員的努力，壓電發(fā)電這種新型的環(huán)保的發(fā)電方式必將得到更廣的應(yīng)用。人們對與壓電發(fā)電的研究也在進一步的深入，例如哈爾濱大學(xué)的袁江波等教授學(xué)者將對高性能的壓電材料的選擇進一步的討論研究。新型蝴蝶式壓電懸臂梁發(fā)電是基于壓電發(fā)電理論的一種深入研究應(yīng)用，也是對于壓電發(fā)電的綜合應(yīng)用。 相對于傳統(tǒng)能源，壓電發(fā)電的發(fā)展將成為一種新型能源的存在，它將解決傳統(tǒng)能源污染嚴重，填補現(xiàn)階段能源不足的問題。 主要參考文獻 [1]溫志渝，溫中泉等，振動式壓電發(fā)電機及其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[Z],國家“863”資助項目. [2]伍曉明 ,方華軍等，用于振動能量收集的 MEMS壓電懸臂梁[J]，功能材料與器件學(xué)報，2008.04(02)：467-471. [3]唐可洪,闞君武等，遙控器用壓電發(fā)電裝置的供電特性[J]，光學(xué)精密工程，2008.01（01）：92-96. [4]闞君武 ,唐可洪等，壓電懸臂梁發(fā)電裝置的建模與仿真分析[J]，光學(xué)精密工程，2008.01（01）：71-75. [5]方科, 李欣欣等，壓電式能量獲取裝置的研究現(xiàn)狀[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2006（10）：7-15. [6]袁江波，謝濤等，壓電俘能技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J]，振動與沖擊，2009.10（10）：36-41. [7]魏雙會,褚金奎, 杜小振，壓電發(fā)電器建模研究[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2008（06）：27-30. [8]林玲，劉輝，壓電發(fā)電技術(shù)研究應(yīng)用[M]，應(yīng)用科學(xué). [9]王光慶，壓電疊堆式發(fā)電裝置的建模與仿真分析[J]，中國機械工程，2009.10上（19）：2298-2304. [10]楊擁民，張玉光等，基于壓電陶瓷的振動能量捕獲技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]，中國機械工程，2009.1上（1）：113-117. [11]Salem Saadon , Othman Sidek，A review of vibration-based MEMS piezoelectric energy harvesters[J]，Energy Conversion and Management，2011（52）:500-504. [12]Tao Yang, Yi Lin, Xianji Tan, and Yuehui Feng，Modeling and Analysis of Piezoelectric Bimorph Cantilever Used for Vibration Energy Harvesting[J]，IEEE，2010.6：1783-1788. [13]D. Bla?evi_, S. Zelenika and G. Gregov，Mechanical analysis of piezoelectric vibration energy harvesting devices[J]，MIPRO,2010.5:122-126. [14]Z. S. Chen, Y. M. Yang and G. Q. Deng，Analytical and Experimental Study on Vibration Energy Harvesting Behaviors of Piezoelectric Cantilevers with Different Geometries[M], National Natural Science. [15]Lenk,A. Elektromechanische Systrme. Band 2:Systeme mit verteilten Parametern［M］Berlin：VEB verlag Technik,1977． 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑） 一 、本課題要研究或解決的問題： 目前，利用外界振動通過壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電流為交流電，其缺點是不連續(xù)、不規(guī)則。在工程應(yīng)用中，必須設(shè)計相應(yīng)的匹配電路，采用橋式整流電路，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將產(chǎn)生的電能儲存起來，經(jīng)一定時間的充電，達到足夠的量時方可供應(yīng)外部負載使用。 　　能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括選擇壓電材料、設(shè)計和外部振動頻率接近的壓電振子及支撐方式、設(shè)計高效的電能收集和儲存電路系統(tǒng)等。 目前的驗證性演示主要是驅(qū)動一些照明或顯示器。要有大的發(fā)電量，在技術(shù)上應(yīng)該沒有太大的障礙，主要還是成本和效益問題。如何進一步提高發(fā)電效率，大幅度降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性和耐用性，這些都是十分重要的難題。 將壓電發(fā)電技術(shù)真正應(yīng)用于生活，這些都是需要我們進一步努力研究的。 二 、采用的研究手段 （1） 通過參考一定的相關(guān)文獻對壓電發(fā)電現(xiàn)狀有一定的了解，從而確定壓電發(fā)電是否可行。 （2） 通過ANSYS、Solidworks軟件進行理論分析與建模，記錄理論分析數(shù)據(jù)。 （3） 通過對實踐活動中的具體情況，進行歸納與分析。 （4） 對已有產(chǎn)品進行分析研究從而來完善自己的課題。 （5） 結(jié)合老師的指導(dǎo)與幫助，對實驗數(shù)據(jù)與研究進行一定的修正與完善，最后達到研究的目的 外文資料翻譯 教 科 部： 機 械 制 造 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 姓 名： 學(xué) 號： 外 文 出 處： 附 件： 指導(dǎo)老師評語 簽名： 年 月 日 原文： Mechanical Testing : tension Test and Other Basic Tests 4.1 INTRODUCTION 4.2 INTRODUCTION TO TENSION TEST 4.3 ENGINEERING STRESS –STRAIN PROPERTILES 4.4 TRENDS IN TENSILE BEHAVIOR 4.5 TRUE STRESS –STRAIN INTERPRETATION OF TENSION TEST 4.6 CMPRESSION TEST 4.7 HARDNESS TESTS 4.8 NOTCH-IMPACT TESTS 4.9 BENDING AND TORSION TESTS 4.10 SUMMARY OBJECTIVES ? Become familiar with the basic types of mechanical tests, including tests in tension compression, indentation hardness , notch impact, bending ,and torsion . ? Analyze date from tension tests to determine materials properties, including both engineering properties and true stress-strain properties . ? Understand the significance of the properties obtained from basic mechanical tests, and explore some of the major trends in behavior that are seen in these tests. 4.1 INTRODUCTION Samples of engineering materials are subjected to a wide variety of mechanical tests to measure their strength or other properties of interest .Such samples, called specimens, are often broken or grossly deformed in testing. Some of the common forms of test specimen and loading situation are (a). Compression tests (b) are also common. In engineering, hardness is usually defined in terms of resistance of the material to penetration by a hard ball or point, as in (c). Various forms of bending test are also often used ,as is torsion of cylindrical rods or tubes. The simplest test specimens are smooth (unnotched) ones, as illustrated in Fig.4.2(a). More complex geometries can be used to produce conditions resembling those in actual engineering Components, Notches that have a definite radius at the end may be machined into test specimens, as in (b). The term notch is used here in a generic manner to indicate any notch , hole , groove , slot ,etc., that has the effect of a stress raiser . Sharp notches that behave similar to cracks are also used, as well as actual cracks that are introduced into the specimen prior to testing ,as in (c) . Figure 4.1 Geometry and loading situations commonly employed in mechanical testing of materials (a) tension,(b) compression, (c) indentation hardness,(d)cantilever bending,(e) three-point bending,(f) four-point bending, and (g) torsion Figure 4.2 Three classes of test specimen : (a) smooth or unnotched, (b) notched ,and (c) precracked . To understand mechanical testing, it is first necessary to briefly consider materials testing equipment and standard test methods. We will then discuss tests involving tension , compression, indentation, notch impact ,bending, and torsion .Various more specialized tests are discussed in later chapters in connection with such topics as brittle fracture ,fatigue, and creep. 4.2 INERODUCTION TO TENSION TEST A tension test consists of slowly pulling a sample of material with an axial force, as in Fig 4.1(a), until it breaks. This section of the chapter provides an introduction to the methodology for tension tests, as well as some additional comments. Sections that follow discuss tension testing in more detail, after which other types of test are considered. Figure4.5 ensile specimens of metals(left to right): untested specimen with 9 mm diameter test section, and broken specimens of gray cast iron ,aluminum alloy 70575-T651,and hot-rolled AISI 1020 steel.(Photo by R.A simonds.) 4.2.1 Test Methodology The test specimen used may have either a circular or a rectangular cross section, and its ends are usually enlarged to provide extra area for gripping and to avoid having the sample break where it is being gripped. Specimens both before and after testing are shown for several metals and polymers in Fig.4.5 and 4.6. Methods of gripping the ends vary with specimen geometry. A typical arrangement for threaded-end specimens id shown in Fig.4.7.Note that spherical bearings are used at each end to provide a pure tensile force, with no undesirable bending. The usual manner of conducting the test is to deform the specimen at a constant speed. For example, in the universal testing machines of Fig.4.3, the motion between the fixed and moving crossheads can be controlled at a constant speed. Hence, distance h in Fig.4.7 is varied so that The axial force that must be applied to achieve this displacement rate varies as the test proceeds. This force P may be divided by the cross-sectional area Ai to obtain the stress in the specimen at Any time during the test: Figure4.6 Tensile specimens of polymers (left to right): Untested specimen with a 7.6 mm diameter test section, a partially tested specimen of high-density polyethylene (HDPE), and broken specimens of nylon 101 and Teflon (PTFE). (photo by R.A.Simonds.) Displacements in the specimen are measured within a straight central portion of constant cross section over a gage length li, as indicated in Fig.4.7.Strain ε be computed from the change in this length ,ΔL; 4.2 Stress and strain, based on the initial (undeformed) dimensions, Ai and Li, as just presented, are called engineering stress and strain. Figure 4.7 typical grips for a tension test in a universal testing machine.( adapted from [AMST 97] Std.E8;copyright C ASTM; reprinted with permission.) It is sometimes reasonable to assume that all of the grip parts and the specimen ends are nearly rigid .In this case ,virtually all of the change in crosshead motion is due to deformation within the straight section of the test specimen, so that ΔL is approximately the same as Δh, the change In h ,strain may therefore be estimated as ε=Δh/li, However, actual measurement of ΔL is preferable. Strain ε as calculate from Eq.4.2 is dimensionless. As a convenience, strains are sometimes given as percentages, where ε%=100ε.Strain may also be expressed in millionths, called microstrain, where εu=100ε. If strains are given as percentages or as percentages or as microstrain , then, prior to using the value for most calculations, it is necessary to convert to the dimensionless from ε. The principal result obtained from a tension test is a graph of engineering stress versus engineering strain for the entire test, called a stress-strain curve. With the use of digital computers in the laboratory ,the form of date is a list of numerical values of stress and strain, as sampled at short time intervals during the test. Stress-strain curves vary widely for different materials. Brittle behavior in a tension test is failure without extensive deformation. Gray cast iron, glass, and some polymers, such as PMMA (acrylic), are examples of materials with such behavior. A stress-strain curve for gray iron is shown in Fig.4.8.Othermaterials exhibit ductile behavior, failing in tension only after extensive deformation. Stress-strain curves for ductile behavior in engineering metals and some polymers are similar to Figs. 4.9 and 4.10,respectively. Figure4.8 Stress-strain curve for gray cast iron in tension, showing brittle behavior. Figure4.9 schematic of the engineering stress-strain curve of a typical ductile metal that exhibits necking behavior. Necking begins at the ultimate stress point. 譯文： 機械性能試驗：拉伸試驗和其他基本測試 4.1 引言 4.2 拉伸試驗介紹 4.3 工程應(yīng)力應(yīng)變特性 4.4 拉伸行為趨勢 4.5拉伸試驗的真實應(yīng)力應(yīng)變解釋 4.6壓縮試驗 4.7硬度試驗 4.8抗缺口沖擊試驗 4.9點彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗 4.10概要 目 標： l 熟悉機械試驗的基本類型，包括拉壓、壓痕硬度、抗缺口沖擊、彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗。 l 分析拉伸試驗的數(shù)據(jù)來確定材料的性能，包括工程特性與真實應(yīng)力-應(yīng)變特性。 l 從基本力學(xué)試驗中了解性能實驗的意義，以及從這些試驗中探索一些行為中的主要趨勢。 4.1 引言 材料的樣品往往要進行各種各樣的機械試驗，以衡量他們的強度、性能之間的厲害關(guān)系。這樣的樣品，稱為標本，這些樣本在試驗中經(jīng)常被破壞或者嚴重變形。一些常見形式的試驗樣品和載荷情況如（a）所示。（b）情況在壓縮試驗中也很常見。在工程中，硬度通常被定義為材料的抗?jié)B透硬質(zhì)球或點，如（c）所示。扭轉(zhuǎn)圓柱棒或管在各種形式的彎曲試驗也經(jīng)常使用。 最簡單的試樣是光滑的（無缺口），如圖4.2（a）所示。更復(fù)雜的幾何形狀可以用來生產(chǎn)類似那些在實際工程元件軸凹口具有一定半徑的端部的情況，可被加工成如（b）所示的試樣。凹口這個術(shù)語在這里是對所有切口，孔，槽，縫隙等籠統(tǒng)的表示，這些都是由于應(yīng)力集中所帶來的影響。鋒利的凹口表現(xiàn)為類似于裂紋的被使用，實際的裂紋被引入到測試前的樣品中，如（c）所示。 圖4.1 圖4.1中的幾何和載荷情況是在材料力學(xué)性能測試中普遍采用，有（a）拉伸，（b）壓縮，（c）壓痕硬度，（d）懸臂彎曲，（e）三點彎曲，(f)四點彎曲以及（g）扭轉(zhuǎn) 圖4.2 試驗樣品 圖4.2中的三類試驗樣品為（a）光滑或無缺口樣品，（b）有缺口樣品以及（c）預(yù)制裂紋樣品。 要了解機械測試，首先有必要簡要地研究材料試驗設(shè)備和標準試驗方法。然后，我們將討論包括拉伸，壓縮，壓痕，缺口沖擊，彎曲和扭轉(zhuǎn)測試。各種更專業(yè)的測試將在后面的章節(jié)中有討論，這樣的課題有脆斷裂，疲勞和蠕變。 4.2 拉伸試驗介紹 拉伸試驗包括在一個軸向力方向慢慢提拉材料試樣直到其斷裂，如圖4.1（a）所示。本章節(jié)將介紹進行拉伸試驗的方法，以及一些附加注解。跟隨討論更詳細的拉力試驗，之后在考慮其他的測試。 圖4.5拉伸試樣金屬 圖4.5 所示為拉伸試樣的金屬（左到右）：未經(jīng)測試的9毫米直徑的測試段試樣，破壞的灰鑄鐵標本，70575-T651鋁合金和AISI1020熱軋鋼（圖片由R.A.Simonds.提供。） 4.2.1測試方法 所使用的試樣可以是圓形或矩形的橫截面，其兩端通常需要加粗來為夾持提供額外的面積，以避免樣本在被夾持處斷裂。圖.4.5和4.6中的多種金屬和聚合物所示為測試之前和之后的兩個樣品。 試樣的幾何形狀不同抓住兩端的方式也有所不同。螺紋端的典型布置id標本試樣如圖4.7所示。需要注意的是球軸承主要用在每個末端，以提供純粹拉伸力，沒有不需要的彎曲。通常進行的測試方式是在一個恒定的速度下變形試樣。例如圖4.3中的萬能試驗機固定和移動十字頭之間的運動可以以恒定的速度控制。因此，在圖4.7的距離h的變化，滿足 必須施加以達到這個位移速率變化的軸向力作為測試所得。這個力P可以表示為截面積ai被劃分在測試過程中的任何時間段所獲得的應(yīng)力： 圖4.6 拉伸式樣的聚合物 圖4.6 所示為拉伸式樣的聚合物（左至右）：未經(jīng)測試的7.6毫米直徑的試驗段樣品，高密度聚乙烯的局部測試樣品(HDPE)，以及斷裂的101尼龍和聚四氟乙烯樣品。（圖片由R.A.Simonds.提供） 試件原長Li是通過量具沿著等截面的圓柱部分測量得到的,如圖4.2所示。應(yīng)變ε可以通過計算長度ΔL的變化來表示： 4.2 應(yīng)力和應(yīng)變，根據(jù)初始（未變形）的尺寸，正如剛才提出的Ai和Li，被稱為工程應(yīng)力應(yīng)變。 圖4.7 圖4.7所示為典型的夾在萬能試驗機的拉伸試驗。（改編自[AMST97] Std.E8;版權(quán)：?ASTM;許可轉(zhuǎn)載） 有時合理假設(shè)所有的控制部件和樣品幾乎都是剛性的，在這種情況下,幾乎所有的十字頭運動是由于試樣的直線部分內(nèi)的變形而變化，使ΔL和Δh大體相同，在計算h的變化時，應(yīng)變可估算為ε=Δh/li，但是，在實際中ΔL是可以直接測得的。應(yīng)變ε的計算來自Eq.4.2是無量綱。為方便起見，應(yīng)變有時給定為百分之一，其中ε（％）=100ε。應(yīng)變也可能表現(xiàn)以百萬分之一，被稱為微應(yīng)變，其中εu=100ε。如果應(yīng)變以百分數(shù)形式，或以百分比或作為微應(yīng)變給出，那么，對于大多數(shù)的計算在使用前的值，有必要轉(zhuǎn)換為來自ε的無量綱。 從拉伸試驗獲得的主要結(jié)果為整個測試工程的工程應(yīng)力-應(yīng)變，稱應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線的曲線圖。隨著數(shù)字計算機在實驗室中被使用，在短時間間隔取樣測試中得到的應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)形式是一個數(shù)值列表。對于不同的材料應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線千差萬別。脆性特征就是沒有大量變形而失效的拉伸試驗?；诣T鐵，玻璃和某些聚合物，諸如PMMA（亞克力），這些材料是具有此類特征的典型例子?；诣T鐵的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線如圖4.8。其他具有韌性的材料，只有經(jīng)過大量的變形才會失效。工程金屬和某些聚合物的韌性性能應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線分別類似于圖4.8和4.9。 圖4.8 圖4.8為灰鑄鐵在拉力作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線，表現(xiàn)為脆性行為。