强冲击压电陶瓷结构的应力波传播及电压输出特性

为了研究强冲击作用下应力波在压电陶瓷复合结构(前基板-压电陶瓷-后基板)中的传播规律和压电陶瓷的电压输出特性,利用自行构建的聚偏氟乙烯(PVDF)冲击压力测试系统和压电陶瓷的电压输出测试系统并结合一级轻气炮加载系统,开展了2A12柱状铝弹丸分别以313m/s、326m/s、379m/s和397m/s的速度正碰撞压电陶瓷复合结构(不同材料的后基板)实验,采集压电陶瓷与后基板间压力传感器产生的电压信号和压电陶瓷的电压输出信号.同时,基于一维弹性波的传播理论,推导了应力波在弹体与压电陶瓷复合结构接触界面所形成的变截面问题中传播时的碰撞速度与压力峰值的计算关系式,得到了不同碰撞速度条件下压电陶瓷后表面处的应力峰值;利用压电陶瓷输出电压与冲击压力峰值间的理论计算关系式并结合Matlab编程对冲击压力的实验数据处理所得到的冲击压力峰值,计算得到了压电陶瓷的电压输出峰值.研究结果表明:通过理论计算得到的冲击压力峰值、电压输出峰值与实验测量所得结果均基本吻合;在碰撞速度接近时,后基板的材料性质(有机玻璃和铝合金)对应力脉冲峰值特征的影响显著,有机玻璃作为后基板的应力脉冲峰值高于后基板为铝合金时的应力脉冲峰值,且有机玻璃作为后基板的脉冲持续时间长于后基板为铝合金时的脉冲持续时间;压电陶瓷的电压输出峰值随冲击压力峰值的增加而增大且二者呈非线性关系.