压电效应的有限元分析及压电悬置控制方法的研究

Finite Element Analysis of Piezoelectric Effect and Research of Control Methods of Engine Active Mount with Piezoelectric Actuator

压电效应的有限元分析及压电悬置控制方法的研究:发动机悬置（支承）是隔离发动机的振动及噪声向车内传递的关键部件。
大量理论和实验表明，发动机的振动噪声是车内振动噪声的主要来源。为了
降低车内的振动噪声，推行汽车绿色环保设计，各国汽车厂家都十分重视智
能型发动机悬置的设计开发。
目前汽车上使用的纯橡胶悬置由于其本身的性能已无法满足汽车多工况
宽频带（10～200Hz）的隔振要求，虽然近几年开发了液力悬置，在隔振性
能方面较橡胶悬置有了改善，但它仍属于被动式发动机悬置装置，由于液力
悬置在高频下的动态硬化，使其减振降噪能力仍无法满足现代高级轿车的车
内舒适性要求。
主动式压电悬置是利用压电材料的逆压电效应原理，将压电作动器与原
有的液力悬置组装而成的智能型液力压电悬置。它利用液力悬置的低频减振
的能力和压电作动器高频降噪的主动控制功能，从而在宽频带内隔离发动机
振动噪声向车内的传递，形成了主动控制式发动机悬置系统。
主动悬置由被动悬置、产生力的作动器、传感器和电控装置组成。因此
本文设计的有三个重点：作动器的设计、压电悬置的设计、控制律的设计。
首先对作动器的作动机理进行了剖析。压电式作动器是利用压电材料的
逆压电效应，通过施加外部电场，将电能转换成机械能的装置。为了深入的
研究PZT 材料的逆压电效应，本文对PZT 材料的逆压电效应进行了有限元分
析，从而对作动器的设计起到了指导作用。
然后，在对压电悬置的结构和工作原理进行了详细的分析后，利用高级
三维建模软件UG，设计出了全套的主动式压电悬置的三维图和工程图。进
而建立了压电悬置的等效力学模型和数学模型。并根据所建立的模型应用
MATLAB 进行了仿真计算。
最后，根据以上的分析结果，利用MATLAB 提供的模糊逻辑工具箱，
设计出了模糊PID 控制器，并利用SIMULINK 进行了仿真计算，以验证控制
效果。
本文的研究工作是与国家自然基金项目“智能型发动机压电悬置设计理
论与实验研究”同步进行的。
【关键词】 发动机悬置 主动控制
有限元 压电效应