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陸少華 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
揚州大學廣陵學院
畢業(yè)設計（論文）前期工作材料
學 生 姓 名： 陸少華 學號： 090007118
教 科 部： 機 械 力 學
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
設計（論文）題目：新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
指 導 老 師： 龔 俊 杰
材 料 目 錄
序號
名 稱
數(shù)量
備注
1
畢業(yè)設計（論文）選題、審題表
1
2
畢業(yè)設計（論文）任務書
1
3
畢業(yè)設計（論文）實習調研報告
1
4
畢業(yè)設計（論文）開題報告（含文獻綜述）
1
5
畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯（含原文）
1
6
畢業(yè)設計（論文）中期檢查表
1
2014 年 3月 12日
揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)設計（論文）題目申報表
設計（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
面向專業(yè)
機械設計制造
及其自動化
指導教師
龔俊杰
職稱
副教授
學位
博士
從事專業(yè)
工程力學
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，包括應力、應變等進行有限元計算。在有限元分析的基礎上，對蝴蝶式懸臂梁的結構形式、壓電片的分布等進行參數(shù)化研究，分析支撐結構的組成形式、壓電陶瓷的數(shù)量、厚度、排列方式等參數(shù)對輸出應變大小的影響，最終確定最合理的設計方案。
審核意見：
審核人簽名：
年 月 日
題目類型－－1、為結合科研；2、為結合生產實際；3、為結合大學生科研訓練計劃；
4、為結合學科競賽；5、模擬仿真；6、其它
題目來源－－A.指導教師出題 ； B.學生自定、自擬
揚州大學廣陵學院畢業(yè)設計（論文）任務書
教 科 部： 機 械 力 學
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
學生姓名: 陸 少 華 學號: 090007118
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： 2014.2.22-2014.6.7
設計（論文）地點： 學院機房、結構測試與分析研究室
指 導 老 師： 龔 俊 杰
專 業(yè) 負 責 人：
發(fā)任務書日期： 2014年 2月22日
揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)論文任務書
論文題目
新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
年級
大四
專業(yè)
機械設計制造
及其自動化
學生姓名
陸少華
學號
090007118
主要內容：
1.能夠運用現(xiàn)代的測試設備與儀器進行機械結構的振動、應力、應變等數(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，包括應力、應變等進行有限元計算；
3. 在有限元分析的基礎上，對蝴蝶式懸臂梁的結構形式、壓電片的分布等進行參數(shù)化研究，分析支撐結構的組成形式、壓電陶瓷的數(shù)量、厚度、排列方式等參數(shù)對輸出應變大小的影響，最終確定最合理的設計方案；
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：包括工作任務分析、調研報告或文獻綜述、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。
主要任務及基本要求（包括指定的參考資料）：
主要任務及基本要求：
1、撰寫開題報告：包括工作任務分析、調研報告或文獻綜述、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構的有限元模型，通過計算獲得結構的應力應變場分布規(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絡中的應用[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)電技術研究應用[M]，應用科學.
[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)出任務書日期： 2014年2月22日 完成期限：2014年6月4日
指導教師簽名： 專業(yè)主任簽名：
年 月 日
揚州大學廣陵學院
畢業(yè)設計（論文）實習調研報告
學 生 姓 名： 陸少華 學號： 090007118
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
指 導 老 師： 龔 俊 杰
參觀實習報告
2014年3月26日，在老師的帶領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。這次實習也讓我在進入社會之前積累了不少的經驗。大學是一個教育我、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，能將學校學的知識聯(lián)系于社會。實習是學生接觸社會，了解社會，服務社會，運用所學知識實習自我的最好途徑。親身實習，而不是閉門造車。實現(xiàn)了從理論到實習再到理論的飛躍。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。
一 、實習目的：
對于一名大學生來說畢業(yè)實習是一個很關鍵的學習內容，也是一個很好的鍛煉機會。對于我們來說，平常學到的都是書面上的理論知識，而畢業(yè)實習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計聯(lián)系起來的機會，畢業(yè)實習作為學校老師為我們安排的在校期間最后一次全面性、總結性的教學實踐環(huán)節(jié)，它既讓我們看到實際生活中設計生產狀況，也是我們在就業(yè)之前的“實戰(zhàn)預演”，我們可以從中看到的不僅僅是一個車間的生產運作過程，還有大量實際設計方面的知識，以及我們還十分缺乏的實際經驗都包含在每個生產設計過程中，通過實習能夠使我們更好的完善自己。畢業(yè)實習很短，但無論是對我的畢業(yè)設計還是今后的工作，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。產品70%以上外銷,現(xiàn)年銷售額達6億RMB。公司專業(yè)生產高精度、高品質的粉末冶金專業(yè)制品，產品涵蓋汽車零部件、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)動機零件等領域。
三、實習內容：
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在一件件產品。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品的誕生，而這次實習最主要的內容就是讓我們了解產品從加工到銷售的一系列過程。在參觀實習的過程中遇到了很多在書本上學到的理論知識的應用，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]有什么操作經驗的大學生來說，這些都是我們要學習的。看著一張張簡單而又復雜的設計圖紙，我知道我們要走的路還有很長。
四、實習總結：
短短的實習參觀，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，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)的大學生來說，缺少實際操作經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。?
揚州大學廣陵學院
畢業(yè)設計(論文)開題報告
學 生 姓 名： 陸少華 學 號：090007118
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
設計(論文)題目： 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
指 導 老 師： 龔 俊 杰
2014年 3 月 12 日
揚州大學廣陵學院本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告
設計（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
指導老師出題
題目類型
為結合科研
指導教師
龔俊杰
學生姓名
陸少華
學 號
090007118
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
開題報告內容：（調研資料的準備與總結，研究目的、要求、思路與預期成果；任務完成的階段、 內容及時間安排；完成畢業(yè)設計（論文）所具備的條件因素等。）
本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的：
（1）培養(yǎng)學生的調查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力；
（2）培養(yǎng)學生的工程設計能力，主要包括設計、計算及繪圖能力；
（3）培養(yǎng)學生的綜合運用專業(yè)理論知識，分析解決實際問題的能力；
（4）培養(yǎng)學生的在設計過程中使用計算機的能力；
（5）培養(yǎng)學生的撰寫設計說明書、論文的能力；
（6）培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。
本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：
起止日期
工 作 內 容
2014-02-22~2014-03-31
2014-04-1～2014-05-30
2014-06-01～2014-06-07
畢業(yè)設計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習調研和實習報告，完成開題報告；
進行畢業(yè)設計，學習有限元軟件的使用方法、進行理論計算與有限元模擬、分析模擬結果，接收畢業(yè)設計中期檢查，撰寫畢業(yè)設計論文；
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)勢在于結構簡單,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的更廣泛應用,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鍵問題。
利用每一種發(fā)電原理構造的發(fā)電裝置都有其自身的特點和適用領域。壓電發(fā)電裝置的優(yōu)點是結構簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、易于加工制作和實現(xiàn)結構上的微小化、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、理論力學、機械設計等各方面學科的結合應用。
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：電磁感應發(fā)電與化學反應發(fā)電，電磁感應發(fā)電主要有風力發(fā)電、水力發(fā)電、火力發(fā)電等?；瘜W反應發(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、與其他技術集成,實現(xiàn)設備的自供電、與旋轉機械結合這些方面發(fā)展。
而對于壓電裝置的應用不僅僅只能用來發(fā)電，可以結合其他的設備和科技成果進行新的應用，如壓電發(fā)電技術與旋轉機械結合、壓電式袖珍風車、壓電發(fā)電鞋等等，都是對于壓電裝置的巧妙結合與應用。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體硅工藝結合可以研制出壓電振動能量收集器?？捎糜谀芰渴占c轉化的環(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商業(yè)化,其他能源的收集技術仍在研究中。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具有更普遍的意義。
4、國內外壓電發(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和著名大學在這方面展開了研究,如賓夕法尼亞州立大學的鐃鈸換能器、華盛頓大學的P3 微熱力發(fā)動機、麻省理工學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果。
在國內很多研究機構也已經開始研究壓電發(fā)電的開發(fā)與應用，壓電發(fā)電應用的領域廣泛，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用。重慶大學的溫志渝，溫中泉等教授學者已對壓電發(fā)電在無線傳感器中的應用進行了比較全面的論述。吉林大學的唐可洪,闞君武等教授學者也對壓電發(fā)電應用與遙控器中提出了相應的模型與理論分析。目前，國內對于壓電發(fā)電的研究已經比較成熟，很多機構與科研人員也在這基礎上對壓電發(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?；谇叭说难芯浚滦秃綁弘姂冶哿喊l(fā)電是對已有壓電發(fā)電裝置的應用與改進。吉林大學闞君武等教授學者建立了單、雙晶壓電梁發(fā)電能力的仿真分析模型,研究了結構尺寸、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。基板材料不同時,最佳厚度比隨著楊氏模量比增加而減小,鋁、鉬基板構成的單、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)實的科學成果都有相應理論的支持。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,只是由于應變或應力,在晶體內產生電極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應。當在壓電晶體上加一電場時,晶體不僅要產生極化,還要產生應變和應力,這種由電場產生應變和應力的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。壓電效應是壓電發(fā)電的基本原理，而對于壓電效應的研究國內外都已經有了比較成熟的研究成果。
很多科研機構與研究人員對于壓電發(fā)電的研究已經不僅僅局限與理論的研究，而是已經應用于實際當中，理論的研究是對于實踐應用的一部分，壓電效應就是一個很好的例子，人們通過對于壓電效應的分析與研究提出了壓電發(fā)電的設想，并且成功的應用于實踐。
6、結 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，例如哈爾濱大學的袁江波等教授學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用，也是對于壓電發(fā)電的綜合應用。
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絡中的應用[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)電技術研究應用[M]，應用科學.
[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)電裝置產生的電流為交流電，其缺點是不連續(xù)、不規(guī)則。在工程應用中，必須設計相應的匹配電路，采用橋式整流電路，將交流電轉換為直流電，將產生的電能儲存起來，經一定時間的充電，達到足夠的量時方可供應外部負載使用。
能量回收系統(tǒng)的關鍵技術，主要包括選擇壓電材料、設計和外部振動頻率接近的壓電振子及支撐方式、設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動一些照明或顯示器。要有大的發(fā)電量，在技術上應該沒有太大的障礙，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)電技術真正應用于生活，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） 對已有產品進行分析研究從而來完善自己的課題。
（5） 結合老師的指導與幫助，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
揚州大學廣陵學院畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯
教 科 部： 機 械 制 造
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
姓 名： 陸 少 華
學 號： 090007118
外 文 出 處：
附 件：
指導老師評語
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 工程應力應變特性
4.4 拉伸行為趨勢
4.5拉伸試驗的真實應力應變解釋
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力-應變特性。
l 從基本力學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、性能之間的厲害關系。這樣的樣品，稱為標本，這些樣本在試驗中經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透硬質球或點，如（c）所示。扭轉圓柱棒或管在各種形式的彎曲試驗也經常使用。
最簡單的試樣是光滑的（無缺口），如圖4.2（a）所示。更復雜的幾何形狀可以用來生產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
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。應變ε可以通過計算長度ΔL的變化來表示：
4.2
應力和應變，根據(jù)初始（未變形）的尺寸，正如剛才提出的Ai和Li，被稱為工程應力應變。
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：?ASTM;許可轉載）
有時合理假設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的變形而變化，使ΔL和Δh大體相同，在計算h的變化時，應變可估算為ε=Δh/li，但是，在實際中ΔL是可以直接測得的。應變ε的計算來自Eq.4.2是無量綱。為方便起見，應變有時給定為百分之一，其中ε（％）=100ε。應變也可能表現(xiàn)以百萬分之一，被稱為微應變，其中εu=100ε。如果應變以百分數(shù)形式，或以百分比或作為微應變給出，那么，對于大多數(shù)的計算在使用前的值，有必要轉換為來自