[发明专利]一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置及解耦方法

权利要求书

1.一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，该实验测量装置包括由挠曲电材料制成的试件(2)，与试件(2)上下端固定连接的夹持端(1)，位于试件(2)侧面沿轴对称分布的电极(3)，与电极(3)连接的电荷放大器(4)，与电荷放大器(4)输出端连接的信号处理模块(5)，输出扭矩的加载设备(6)；所述试件(2)为半圆柱形试件或半圆台形试件；加载设备(6)夹持住试件(2)两端的夹持端(1)施加扭矩,半圆柱试件沿径向产生剪切应变梯度而产生电极化，半圆台试件沿径向和轴向分别产生剪切应变梯度而产生电极化；

其特征在于：所述解耦方法为：将固定在试件(2)上的夹持端(1)与加载设备(6)连接，当加载设备(6)输出扭矩，扭矩通过夹持端(1)传递到试件(2)，由此试件(2)发生扭转变形并产生剪切应变；当试件(2)为半圆柱形试件时，剪切应变仅在径向产生应变梯度并由此产生剪切挠曲电致的电极化；当试件(2)为半圆台形试件时，剪切应变在径向以及轴向均产生应变梯度并由此产生两种剪切挠曲电致的电极化叠加；以上产生的极化电荷通过电极(3)输出至电荷放大器(4)的输入端，并由电荷放大器将电荷信号转化成电压信号并传入信号处理模块(5)，再结合加载设备(6)的载荷参数、挠曲电材料参数和试件(2)结构参数后，联立方程，能够分别解出沿径向和沿轴向的剪切挠曲电系数；

所述的分别解出沿径向和沿轴向的剪切挠曲电系数的方法如下：

试件(2)在扭转变形下产生的电荷与材料的剪切应变梯度存在关系；未极化的挠曲电材料中不存在压电效应，材料的挠曲电效应表示为：

其中P_l、μ_ijkl、ε_ij和x_k分别为极化程度、挠曲电系数、应变和梯度方向；而极化程度则描述为电荷与电荷分布面积的比，即

其中：Q_l和A分别是电荷量和对应电极面积；

半圆柱形试件在纯扭转下的剪切应变只沿径向发生变化，其应变梯度表示为：

其中：γ_zρ是扭转状态下产生的剪切应变，M是施加的扭矩，ν和E是材料泊松比和弹性模量，R是半圆柱的半径，z和ρ分别是圆柱坐标系下的轴向和径向方向，n是公式计算中的奇数项；

半圆台形试件在纯扭转下的剪切应变分别沿径向和轴向发生变化，其应变梯度表示为：

其中k是圆台的锥度；

对于半圆柱形试件和半圆台形试件的剪切向挠曲电系数测量实验装置，公式(2)改写成如下方式：

其中Q_a和Q_b分别是在半圆柱形试件和半圆台形试件上产生的极化电荷，A_a和A_b分别是半圆柱形试件和半圆台形试件相应的电极面积；是圆柱坐标系下的环向方向；和分别是沿径向和轴向的剪切挠曲电系数；

从而，把由信号处理模块(5)的输出信号和由加载设备(6)施加的载荷参数、挠曲电材料参数以及试件(2)结构参数根据公式(3)和公式(4)计算出的相应的应变梯度代入公式(5)，即解耦出沿径向的剪切挠曲电系数和沿轴向的剪切挠曲电系数

2.根据权利要求1所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，其特征在于：所述试件(2)的几何中心与夹持端(1)保持重合以保证试件(2)受到纯扭转载荷。

3.根据权利要求1所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，其特征在于：所述电极(3)的刚度比试件(2)低至少2个数量级并具有良好的导电性。

4.根据权利要求1所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，其特征在于：所述电荷放大器(4)的测量精度能够满足挠度电材料制成的试件(2)的微电荷测量需求。

5.根据权利要求1所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，其特征在于：所述夹持端(1)为与加载设备(6)的夹头形状相适配的六棱柱形、四棱锥形或圆柱形。