作为机械构件动力学分析研究中的基本模型,悬臂梁结构不仅可以作为被驱动元件进行振动分析,还可以作为激励源驱动外部负载。当利用振动的悬臂梁直接驱动负载时,如何使负载获得更多的能量、使悬臂梁的能量输出达到最优,是研究中的一个难点,需要使悬臂梁、负载、负载连接件之间进行相应的阻抗匹配。考虑到悬臂梁连续体模型的复杂性,本文选取悬臂梁结构的根部、中部和端部三个特征位置进行分析,提出压电驱动三段式悬臂梁结构的负载阻抗匹配研究的概念,为悬臂梁作为激励源时的能量输出研究提供参考。论文基于仿真模拟、理论推导等手段对悬臂梁-弹簧-质量块模型的能量输出进行了阻抗匹配分析,并选取隔膜泵作为外部负载对该模型进行了实验验证,具体研究内容如下:首先,采用多物理场耦合分析软件建立压电悬臂梁-弹簧-质量块有限元模型,分析当利用悬臂梁结构作为激励源时,如何使外部负载获得最大能量输出,实现最佳匹配。振动的悬臂梁其能量通过弹簧结构传递给负载质量块时,能量输出最优问题等效为求解最佳弹簧劲度系数的问题。考虑到悬臂梁连续体模型的复杂性,本文选取悬臂梁的三个特征位置进行分析,通过有限元软件计算系统振动过程中各部件结构的弹性应变能与动能。本文以弹簧-质量块结构的总能量与系统总能量的占比作为悬臂梁输出能量效率的衡量标准,通过改变弹簧劲度系数的取值研究能量占比的变化趋势,在不同特征位置处当能量占比达到最大时的弹簧-质量块参数即为悬臂梁结构该处的最佳匹配负载。研究结果表明,当悬臂梁结构与质量块参数一定时,随着悬臂梁根、中、端部三个特征位置处对外输出刚度的减小,对应的最佳负载匹配刚度逐渐增大。其次,将结构钢悬臂梁结构简化为单自由度系统,忽略阻尼,对应的压电悬臂梁-弹簧-质量块模型可等效为无阻尼二自由度系统。对该二自由度系统进行动力学分析,通过改变弹簧劲度系数,研究系统在谐波激励下的稳态振动解,获得系统随弹簧劲度系数改变的幅频特性曲线。以弹簧质量块的总能量与系统总能量的占比作为悬臂梁输出能量效率的衡量标准,结果分析表明,悬臂梁输出能量效率与系统振幅呈正相关。同时结合幅频特性分析可计算得到系统振幅最大时的最佳弹簧劲度系数表达式。因此,通过判断最佳弹簧劲度系数与悬臂梁输出刚度之间的关系,得出的结论与仿真结果一致。最后为了对悬臂梁负载阻抗匹配研究进行量化分析和实验验证,本文以隔膜容积泵为驱动负载,分析利用压电悬臂梁结构的不同位置输出作为隔膜泵的激励源时,如何使隔膜泵流量输出最大,实现隔膜刚度的最佳匹配。根据隔膜泵的结构及工作原理可给出其相应的动力学模型,基于该动力学模型分析得出流量输出最大时的最佳隔膜刚度表达式,通过判断表达式中隔膜刚度与悬臂梁输出刚度之间的关系,最终得出压电悬臂梁结构的不同位置处隔膜泵所需的最佳匹配隔膜刚度:即当悬臂梁参数与驱动液体质量一定时,随着悬臂梁结构不同位置处对外输出刚度的减小,对应泵匹配的最佳隔膜刚度也随之减小。同时,本文设计了压电悬臂梁驱动隔膜泵的实验,通过改变振动活塞的圆盘直径来改变隔膜刚度。在相同的驱动电压下,可测出不同圆盘直径时悬臂梁不同特征位置处隔膜泵的输出流量,分析隔膜泵的最佳匹配刚度。实验结果表明,随着悬臂梁作为激励源位置时对外输出刚度的减小,隔膜匹配的最佳刚度应随之减小。