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第Ⅰ部分 机械振动综述2

第1章 引言2

1.1 智能结构简介2

1.2 振动控制的概念4

1.2.1 隔振与吸振5

1.2.2 吸振与振动控制5

1.2.3 振动控制系统的分类6

1.3 动力学系统的数学模型7

1.3.1 线性和非线性模型7

1.3.2 集中参数与分布参数模型8

总结9

第2章 集中参数系统的振动介绍10

2.1 线性离散系统的振动特征10

2.2 单自由度系统的振动11

2.2.1 时域响应特性11

2.2.2 频率响应函数13

2.3 多自由度系统的振动14

2.3.1 特征值问题和模态矩阵表示法14

2.3.2 经典阻尼系统16

2.3.3 非比例阻尼17

2.4 离散系统振动分析实例19

总结22

习题22

第3章 变分力学简介27

3.1 变分法概述27

3.1.1 变分法概念28

3.1.2 变分算子δ特性30

3.1.3 变分法的基本定理30

3.1.4 泛函的约束极小化33

3.2 变分力学概述35

3.2.1 功能原理和扩展的Hamilton原理35

3.2.2 欧拉方程在动力学分析中的应用37

3.3 运用解析法进行运动学方程推导的步骤39

总结40

习题40

第4章 分布参数系统振动分析的一种统一方法42

4.1 变形体的平衡状态和运动学模型43

4.1.1 平衡微分方程43

4.1.2 应变位移关系45

4.1.3 应力-应变本构关系48

4.2 变形体的虚功原理50

4.3 连续系统振动实例53

4.3.1 杆的纵向振动53

4.3.2 梁的横向振动57

4.3.3 板的横向振动62

4.4 连续系统的特征值问题65

4.4.1 分离变量法66

4.4.2 模态正交性73

4.4.3 特征函数展开法75

总结79

习题79

第Ⅱ部分 基于压电材料的振动控制系统86

第5章 智能材料综述86

5.1 压电材料87

5.1.1 压电效应的概念87

5.1.2 压电材料的基本性能和本构模型87

5.1.3 压电材料的实际应用89

5.2 热释电材料89

5.2.1 热释电材料的本构模型89

5.2.2 常用的热释电材料90

5.3 电流变液和磁流变液90

5.3.1 电流变液90

5.3.2 磁流变液91

5.4 形状记忆合金92

5.4.1 形状记忆合金的物理原理及特性92

5.4.2 形状记忆合金的商业应用93

5.5 电致伸缩材料和磁致伸缩材料94

5.5.1 电致伸缩材料94

5.5.2 磁致伸缩材料95

总结96

第6章 压电材料的物理原理和本构模型97

6.1 压电原理98

6.1.1 极化和压电效应98

6.1.2 压电材料的晶体结构99

6.2 压电材料的本构模型101

6.2.1 预备知识和基本定义101

6.2.2 本构关系102

6.2.3 压电材料的非线性特性106

6.3 压电材料的本构常量107

6.3.1 一般关系107

6.3.2 压电常数109

6.4 压电结构材料的工程应用113

6.4.1 压电陶瓷在机电系统中的应用114

6.4.2 压电陶瓷驱动的位移放大策略114

6.4.3 基于压电陶瓷的高精度微型电机115

6.5 压电作动器和传感器116

6.5.1 压电作动器／传感器的结构116

6.5.2 压电作动器／传感器实例118

6.6 压电系统的研究进展119

6.6.1 压电式微操纵器120

6.6.2 压电式微悬臂梁传感器120

6.6.3 压电式平移纳米定位器121

6.6.4 未来的发展方向和前景122

总结122

第7章 压电材料的迟滞特性123

7.1 迟滞现象的来源123

7.1.1 率无关和率相关迟滞124

7.1.2 局部与非局部记忆特性124

7.2 压电材料的迟滞非线性125

7.3 压电材料的迟滞建模方法126

7.3.1 唯象迟滞模型126

7.3.2 本构迟滞模型130

7.4 迟滞补偿技术138

总结139

第8章 压电系统建模140

8.1 建模预备工作和假设141

8.2 叠堆式压电作动器建模141

8.2.1 无外加负载的叠堆式压电作动器143

8.2.2 外加负载的叠堆式压电作动器145

8.2.3 案例研究：叠堆式压电作动器振动分析147

8.3 薄片式压电作动器建模152

8.3.1 基于能量法的薄片式作动器建模153

8.3.2 案例研究：压电驱动有源探针的振动分析158

8.3.3 基于等效弯矩的薄片式作动器建模166

8.4 二维压电驱动简介169

8.4.1 基于能量法的二维压电驱动建模169

8.4.2 基于等效弯矩的二维压电驱动建模173

8.5 压电传感器的建模175

8.5.1 叠堆式压电传感器175

8.5.2 薄片式压电传感器177

8.5.3 压电传感器的等效电路模型178

总结180

第9章 基于压电作动器和传感器的振动控制181

9.1 振动控制的概念和预备知识182

9.2 基于压电惯性作动器的主动吸振182

9.2.1 主动共振吸振器183

9.2.2 延时共振吸振器188

9.3 基于PZT的主动振动控制195

9.3.1 基于叠堆式压电作动器的振动控制196

9.3.2 基于薄片式压电作动器的振动控制206

9.4 基于压电材料的半主动振动控制系统227

9.4.1 变刚度振动控制的概念简介228

9.4.2 变刚度概念的实时实现229

9.4.3 基于压电材料的变刚度振动控制232

9.4.4 基于压电材料的变刚度控制实验237

9.5 基于压电材料的自感知作动器240

9.5.1 预备知识和背景240

9.5.2 压电电容的自适应匹配策略241

9.5.3 自感知作动器在质量检测上的应用243

总结246

第Ⅲ部分 基于压电材料的微纳米传感器和作动器248

第10章 基于压电材料的微纳米定位系统248

10.1 纳米尺度控制与操纵的分类248

10.1.1 基于扫描探针显微的控制及操纵249

10.1.2 基于纳米操纵器的控制和操纵254

10.2 压电式微纳米定位系统255

10.2.1 STM系统中所使用的压电作动器255

10.2.2 STM系统中的压电作动器建模257

10.3 单轴压电纳米定位系统的控制262

10.3.1 前馈控制策略262

10.3.2 反馈控制策略266

10.4 多轴压电纳米定位系统的控制269

10.4.1 耦合的并联压电弯曲纳米定位平台的建模与控制270

10.4.2 三维纳米定位系统的建模与控制279

总结286

第11章 压电式微悬臂梁传感器287

11.1 简要综述288

11.1.1 微悬臂梁传感器的基本操作288

11.1.2 线性与非线性振动290

11.1.3 NMCS信号传递的常用方法290

11.1.4 工程应用和发展动态292

11.2 微悬臂梁传感器的建模294

11.2.1 压电式NMCS的线性和非线性振动分析295

11.2.2 NMCS的弯曲-扭转耦合振动分析311

11.3 基于NMCS进行超微质量检测与材料表征321

11.3.1 基于NMCS的生物物种检测322

11.3.2 基于NMCS的超微质量检测330

总结335

第12章 基于纳米材料的压电作动器和传感器336

12.1 纳米管的压电特性（碳纳米管和氮化硼纳米管）337

12.1.1 纳米管概览337

12.1.2 纳米管和纳米管材料的压电特性338

12.2 基于纳米管的压电式传感器和作动器340

12.2.1 多功能纳米材料的驱动和传感机理340

12.2.2 纳米管压电薄膜传感器的制备342

12.2.3 纳米管传感器的压电特性测量347

12.3 基于纳米管复合材料的结构减振和振动控制349

12.3.1 用于减振和振动控制的纳米管复合材料的制备349

12.3.2 纳米管复合材料的自由振动特性351

12.3.3 纳米管复合材料的受迫振动特性356

12.4 压电纳米复合材料的可调力学特性359

12.4.1 相界面控制简介359

12.4.2 纳米管复合材料的分子动力学仿真361

12.4.3 纳米管复合材料的连续弹性体模型363

12.4.4 纳米管复合材料的数值仿真结果和讨论363

12.5 由电子织物所组成的功能纳米材料366

12.5.1 电子织物的概念366

12.5.2 基于碳纳米管复合材料的无纺织物的制造367

12.5.3 碳纳米管织物传感器的实验表征369

总结372

附录A 数学基础373

A.1 预备知识和定义373

A.2 指标记法与求和约定375

A.2.1 指标记法约定376

A.2.2 克罗内克函数376

A.3 平衡态与稳定性377

A.3.1 平衡点或平衡态377

A.3.2 稳定性的概念378

A.4 基本稳定定理的简要概述379

A.4.1 李雅普诺夫局部和全局稳定性定理380

A.4.2 局部和全局不变集定理382

附录B 部分定理的证明384

B.1 定理9.1的证明384

B.2 定理9.2的证明387

B.3 定理9.3的证明388

B.4 定理10.1的证明389

B.5 定理10.2的证明390

参考文献392