基于自適應(yīng)差分進(jìn)化算法的多晶PZT壓電陶瓷非線性模型優(yōu)化研究.pdf

1、PZT壓電陶瓷是最為典型的一種壓電陶瓷材料，具有非常高效的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換性能，常作為傳感器和致動(dòng)器而被廣泛應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)中。隨著外場(chǎng)強(qiáng)度的增大，PZT壓電陶瓷材料表現(xiàn)出非線性行為，不能用傳統(tǒng)的壓電本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述。目前對(duì)非線性行為的研究和認(rèn)識(shí)還比較有限，嚴(yán)重制約了PZT壓電陶瓷材料的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。PZT壓電陶瓷材料非線性行為產(chǎn)生的主要原因是材料在微觀結(jié)構(gòu)上發(fā)生了疇變，因此能夠精確描述疇變過(guò)程的非線性模型有助于對(duì)材料非線性行為的研究。<

2、br>　　為了研究多晶PZT壓電陶瓷材料存在的非線性行為，本文利用單個(gè)晶粒電疇體積分?jǐn)?shù)與晶粒自由能之間存在的定量關(guān)系，從優(yōu)化的角度出發(fā)，探索多晶PZT壓電陶瓷材料的疇變過(guò)程與非線性行為之間的關(guān)系。以最小化單個(gè)晶粒自由能為優(yōu)化目標(biāo)，建立基于電疇體積分?jǐn)?shù)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，采用搜索性能卓越的自適應(yīng)差分進(jìn)化算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到晶粒各類(lèi)型電疇體積分?jǐn)?shù)。采用有限元方法處理多晶PZT壓電陶瓷材料各個(gè)晶粒之間的相互作用關(guān)系，并通過(guò)非線性本構(gòu)關(guān)系計(jì)

3、算得到多晶PZT壓電陶瓷材料的宏觀非線性響應(yīng)。
　　針對(duì)多晶PZT壓電陶瓷材料中的一個(gè)晶粒設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提出的非線性疇變優(yōu)化模型的有效性。此外，分別針對(duì)兩種非線性本構(gòu)關(guān)系設(shè)計(jì)了多晶PZT壓電陶瓷材料在外電場(chǎng)周期性加載過(guò)程的仿真實(shí)驗(yàn)，并與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。實(shí)驗(yàn)表明利用本文的方法得到多晶PZT壓電陶瓷材料的非線性響應(yīng)電滯回線與測(cè)量結(jié)果較為接近。
　　本文提出的非線性疇變優(yōu)化模型不需要先驗(yàn)疇變準(zhǔn)則，計(jì)算效率相對(duì)較