بحوث ديناميكيات أنبوب الكهرباء الضغطية

السيراميك الكهرضغطي هو نوع من المواد البلورية التي تخضع لتغيير الشكل مثل الضغط أو الاستطالة عند تعرضها لضغط ميكانيكي. ومع تغير الشكل، تتولد شحنات مختلفة على جانبي البلورة. على العكس من ذلك، إضافة جهد مختلف عبر سوف تؤدي الأنابيب الانضغاطية الخطية إلى إزاحة أو إجهاد ميكانيكي مماثل. أنبوب السيراميك الربع كهرضغطية عبارة عن أنبوب سيراميك أسطواني مجوف مع طبقة موصلة على السطح الأسطواني الداخلي وأربع طبقات موصلة متساوية في المساحة ولكنها معزولة عن بعضها البعض. يمكن أن يؤدي تطبيق الجهد الكهربي بين الطبقة الموصلة للسطح الداخلي والطبقة الموصلة للسطح الخارجي إلى إنتاج الأنبوب الخزفي لشكل من أشكال الحركة مثل الانحناء أو الاستطالة أو التاج الكروي. من أجل استخدام أنابيب السيراميك بشكل صحيح، يجب إجراء التحليل الديناميكي.

التحليل الديناميكي للأنابيب الخزفية في الاستطالة

بافتراض أن الجهد المطبق هو صفر جهد مطبق على الأنبوب، يتم تطبيق الأقطاب الكهربائية الأربعة الموجودة خارج الأنبوب في وقت واحد بجهد موجب في نفس الاتجاه. ثم هناك £1:1 S12· + d31·E3 حيث £ هو الانفعال، والأرقام من 1 إلى 6 تمثل اتجاهات المتجهات الإحداثية، والتي تمثل z، Y، yz، z، xy، على التوالي. يمثل Sl2 معامل المرونة، د. يشير إلى الطول وE هي قوة المجال الكهربائي. حيث ب هو معامل اللزوجة؛ هو النزوح. J0 هي كثافة السيراميك؛ A هي مساحة المقطع العرضي للأنبوب الخزفي؛ sfi هو معامل كهرضغطية.

يتم تحليل تحليل حركة أنبوب السيراميك عند الانحناء من التحليل الثابت لليد البشرية، ويتم تحليل التشوه بطريقة هندسية. في الصيغة، l هو طول الأنبوب الخزفي؛ M هي كتلة الأنبوب الخزفي لكل وحدة طول.

تحليل المحاكاة

من خلال التحليل النظري أعلاه، جنبا إلى جنب مع المعادلات الميكانيكية للاستطالة والانحناء محول الطاقة الاسطواني الكهرضغطي ، تم استخدام برنامج ANSYS في البحث التجريبي. يتم إجراء التحليل المشروط وتحليل الديناميكيات العابرة للأنبوب الخزفي في التحليل، مع مراعاة التوصيل الشبكي والتوصيل الفعلي عند إنشاء نموذج العناصر المحدودة. تم بناء الأسطوانة الأسطوانية ذات الأربعة سنتات وربطها معًا ككل لضمان أن الالتصاق بين الأسطوانتين ليس موصلاً، ولكن نقل القوة وتشوه يتوافق مع الوضع الحقيقي.

تقسيم شبكة العناصر المحدودة لأنبوب السيراميك الكهرضغطي الربع

الأنبوب الخزفي الربع كهرضغطي عبارة عن جهاز اقتران كهروميكانيكي نموذجي. لذلك، بالنسبة لوحدة تقسيم الشبكة لأنبوب السيراميك ربع الكهرضغطي، يجب استخدام نوع العنصر المحدود الذي يدعم التحليل الميداني المقترن. يتم دعم التحليل الميداني المقترن في وحدات lens3 وsolid5 وsolid98 من برنامج ANSYS، حيث يمكن استخدام Solid5 لتحليل المواد الكهرضغطية. نموذج Solid5 عبارة عن وحدة ثلاثية الأبعاد تتكون من ثماني عقد تشكل هيكلًا سداسيًا بحد أقصى ست درجات من الحرية لكل عقدة. يتم استخدام ثلاث درجات حرية إزاحة ودرجة حرية جهد واحدة فقط لتحليل المواد الكهرضغطية. يظهر الرسم التخطيطي للعنصر الانضغاطي المحدود لأنبوب السيراميك الكهرضغطي مقسومًا على وحدة التوصيل الكهربائية الصلبة 5. وتشمل هذه 2160 وحدة sol-id5 و6020 وحدة صلبة 95. تم ضبط درجة حرية المادة الصلبة 5 على أربعة، وهي الإزاحات UX وUZ ودرجة جهد الحرية VOLT في اتجاهات X وy وZ على التوالي.

التحليل النموذجي للأنابيب الخزفية الربعية الكهرضغطية

التحليل النموذجي هو أساس التحليل العابر الديناميكي، والذي يمكنه تحديد خصائص الاهتزاز لأنبوب السيراميك الكهرضغطي الربعي، أي التردد الطبيعي وشكل الوضع للهيكل، مما يوفر أساسًا نظريًا لتصميم دائرة القيادة. يحدد التحليل المشروط لأنبوب الخزف الخزفي أولاً الشروط الحدودية ذات البنية المتماثلة. وفقًا للوضع الفعلي في عملية التطبيق، يتم تطبيق قيد إزاحة صفر على السطح الطرفي السفلي للقطب الكهربائي. في الوقت نفسه، يتم تحديد الظروف الحدودية المحتملة للسيراميك الكهرضغطي، ويتم ربط الأقطاب الكهربائية العلوية والسفلية للصفائح السيراميكية الكهرضغطية المجاورة بعقدة، ويتم تعريفها أيضًا على أنها فصل كهربائي. يتم بعد ذلك إجراء التحليل المشروط لبنية النظام باستخدام الحل الكامل المشروط الذي يوفره ANSYS.

تحليل عابر للأنابيب الخزفية الربعية الكهرضغطية

تم إجراء تحليل الديناميكيات العابرة لمراقبة الاستجابة الديناميكية للأنبوب الخزفي أثناء تعرضه لأي حمل متغير بمرور الوقت. في تحليل ANSYS، تم تطبيق جهد سن المنشار على ربع أنبوب السيراميك الكهرضغطي للحصول على اهتزاز الانحناء لأنبوب السيراميك الضغطي. في عملية التحليل، نظرًا للارتباط بين الحمل والوقت، تعد قوة القصور الذاتي والتخميد جانبين مهمين يجب أخذهما في الاعتبار. يتم الحصول على مصفوفة التخميد بواسطة ثابت التخميد Raylwigh a، مضروبًا في مصفوفة الكتلة ومصفوفة الصلابة على التوالي. وحدة التوصيل الكهروميكانيكية في نموذج العنصر الانضغاطي المحدود للأنبوب الخزفي هي وحدة غير خطية، مما يسبب صعوبات في حل التحليل الديناميكي العابر. ولذلك، يتم استخدام طريقة التكامل الزمني لحل المعادلات التفاضلية الديناميكية في نقاط زمنية منفصلة. تسمى الزيادة الزمنية خطوة وقت التكامل (ITS)، ويؤثر حجم الخطوة بشكل مباشر على دقة حل التحليل العابر. يعد حجم الخطوة معلمة مهمة في التحليل. كلما كانت الخطوة الزمنية أصغر، زادت الدقة. ومع ذلك، فإن خطوة التكامل الزمنية الصغيرة جدًا ستؤدي إلى إهدار موارد الحوسبة وقد تؤدي حتى إلى عدم اكتمال التحليل الرقمي. إذا كان حجم الخطوة كبيرًا جدًا، فسيحدث خطأ في حساب الاستجابة المشروطة ذات الترتيب الأعلى لآلية أنبوب السيراميك الكهرضغطي الربعي. لذلك، وفقًا للوضع الفعلي، فإن شكل موجة القيادة المستخدم في هذه التجربة هو جهد موجة مسننة، ولا يظهر هذا الجهد تشويهًا خطيرًا لشكل الموجة.

 في الوقت نفسه، جنبًا إلى جنب مع نتائج التحليل المشروط، عند اختيار خطوة وقت التكامل، يكون الاعتبار الرئيسي هو حل تردد الاستجابة، ويجب أن تكون خطوة الوقت صغيرة بما يكفي لحل استجابة الحركة للهيكل. وفقًا لنظرية أخذ العينات، فإن الخطوة الزمنية المثلى هي TS≥1/20f (المصنع هو التردد الطبيعي لأنبوب السيراميك ربع الكهرضغطي، ويتم الحصول على التردد الطبيعي من مواصفات معلمة المنتج، ويتم الحصول على TS≥1/(10×2242). يتم أخذ ITS على أنه 1.22 ثانية، وبالتالي فإن خطوة وقت التكامل للتحليل العابر لأنبوب السيراميك الربع كهرضغطي تؤخذ على أنها 1 ثانية. باختصار، عند التحليل الهزازات الكهروضغطية، بسبب مجموعة متنوعة من العوامل غير الخطية مثل التشوه الكبير وعدم خطية المواد والاتصال، يتم استخدام مصفوفة النظام الكاملة لحساب الاستجابة الديناميكية العابرة، أي دون أي شكل من أشكال تبسيط المصفوفة، وهذا سوف يقلل من تأثيرات اللاخطية هرتز والسعة هي 150 فولت، تم الحصول على منحنى الإزاحة في الاتجاه y للأنبوب الخزفي الضغطي الموضح كدالة للوقت. عند تطبيق إشارة خطوة بسعة جهد 270 فولت، يتم إزاحة الطرف العلوي للأنبوب الخزفي الخزفي في الاتجاه y.

الربع سوف يولد الأنبوب الكهرضغطي المصنوع من مادة Pzt ضغوطًا مختلفة السعة تحت تأثير جهد سن المنشار. يتم تحليل الإجهاد، ويمكن أن تعطي النتيجة إرشادات معينة لتركيب أنبوب السيراميك الكهرضغطي، ويمكن التنبؤ بالوضع الذي يحدث فيه التعب. ويوضح الإجهاد الشامل لجسم الهزاز أثناء التحليل العابر، ويظهر أقصى ضغط محلي. كلما كان اللون أغمق، كلما زاد الضغط. يمكن ملاحظة أن الجزء العلوي من أنبوب السيراميك هو منطقة تركيز الإجهاد، حيث من المرجح أن يحدث التعب والكسر، مما سيوفر التوجيه النظري لتركيب الأحمال وتطبيقها.