Dynamisk forskning i piezoelektricitetsrør

Piezoelektrisk keramik er en type krystalmateriale, der undergår en formændring, såsom kompression eller forlængelse, når det udsættes for mekanisk belastning. Efterhånden som formen ændres, genereres forskellige ladninger på begge sider af krystallen. Omvendt tilføjes en anden spænding over lineære piezorør vil resultere i en tilsvarende mekanisk forskydning eller spænding. Det kvart-piezoelektriske keramiske rør er et hult cylindrisk keramisk rør med en ledende belægning på den indre cylindriske overflade og fire ledende lag, der er lige store, men isoleret fra hinanden. Påføring af en spænding mellem det ledende lag på den indre overflade og det ledende lag på den ydre overflade kan få det keramiske rør til at producere en form for bevægelse såsom bøjning, forlængelse eller en sfærisk krone. For at kunne bruge keramiske rør korrekt, skal der udføres dynamisk analyse.

Dynamisk analyse af keramiske rør i forlængelse

Hvis man antager, at den påførte spænding er nulspænding påført til røret, påføres de fire elektroder uden for røret samtidigt en positiv spænding i samme retning. Så er der £1:1 S12· + d31·E3, hvor £ er spænding, og tallene 1 til 6 repræsenterer koordinatvektorretninger, som repræsenterer henholdsvis z, Y, yz, z, xy. Sl2 repræsenterer elasticitetsmodulet, d. Angiver længden og E er den elektriske feltstyrke. hvor b er viskositetskoefficienten; er forskydningen; J0 er den keramiske densitet; A er det keramiske rørs tværsnitsareal; sfi er den piezoelektriske koefficient.

Bevægelsesanalysen af ​​det keramiske rør ved bøjning analyseres ud fra den statiske analyse af den menneskelige hånd, og deformationen analyseres ved geometrisk metode. I formlen er l længden af ​​det keramiske rør; M er massen af ​​det keramiske rør pr. længdeenhed.

Simuleringsanalyse

Gennem ovenstående teoretiske analyse, kombineret med de mekaniske ligninger for forlængelse og bøjning af piezoelektrisk cylindertransducer , ANSYS-software blev brugt i den eksperimentelle forskning. Modalanalysen og transient dynamikanalysen af ​​det keramiske rør udføres i analysen, idet der tages hensyn til indgrebet og faktisk ledning ved etablering af den endelige element-model. Den fire-cent cylindriske cylinder er bygget og bundet sammen som en helhed for at sikre, at adhæsionen mellem de to cylindre ikke er ledende, men kraftoverførslen og deformationen stemmer overens med den virkelige situation.

Finite element mesh opdeling af kvart piezoelektrisk keramisk rør

Det kvart-piezoelektriske keramiske rør er en typisk elektromekanisk koblingsenhed. Derfor skal den endelige elementtype, der understøtter den koblede feltanalyse, bruges til gitterinddelingsenheden i det kvart-piezoelektriske keramiske rør. Koblet feltanalyse understøttes i linse3-, solid5- og solid98-enhederne af ANSYS software, hvor solid5 kan bruges til at analysere piezoelektriske materialer. Solid5-modellen er en tredimensionel enhed bestående af otte noder, der danner en hexaedrisk struktur med maksimalt seks frihedsgrader pr. node. Kun tre forskydningsfrihedsgrader og en spændingsfrihedsgrad bruges til analyse af piezoelektriske materialer. Det endelige piezoelementdiagram af det piezoelektriske keramiske rør divideret med den solid5 maskinelektriske koblingsenhed er vist. Disse omfatter 2.160 sol-id5 enheder og 6.020 solid95 enheder. Frihedsgraden for solid5 er sat til fire, som er forskydningerne UX, UZ og en spændingsfrihedsgrad VOLT i henholdsvis X-, y- og Z-retningerne.

Modal analyse af kvarte piezoelektriske keramiske rør

Modal analyse er grundlaget for dynamisk transient analyse, som kan bestemme vibrationsegenskaberne for det kvarte piezoelektriske keramiske rør, nemlig den naturlige frekvens og modusform af strukturen, hvilket giver et teoretisk grundlag for design af drivkredsløbet. Den modale analyse af et piezokeramisk rør definerer først grænsebetingelserne med en symmetrisk struktur. I overensstemmelse med den faktiske situation i påføringsprocessen påføres en nulforskydningsbegrænsning på den nederste endeflade af elektroden. Samtidig defineres de potentielle grænsebetingelser for den piezoelektriske keramik, og de øvre og nedre elektroder af de tilstødende to piezoelektriske keramiske plader er koblet af en knude og er også defineret som en elektrisk afbrydelse. Den modale analyse af systemstrukturen udføres derefter ved hjælp af den modale komplette løser leveret af ANSYS.

Transient analyse af kvarte piezoelektriske keramiske rør

Den transiente dynamikanalyse blev udført for at observere det keramiske rørs dynamiske respons, når det undergår enhver tidsvarierende belastning. I ANSYS-analysen blev savtandspændingen påført det kvarte piezoelektriske keramiske rør for at opnå bøjningsvibrationen af ​​det piezokeramiske rør. I analyseprocessen er inertikraft og dæmpning på grund af sammenhængen mellem belastning og tid to vigtige aspekter, der skal tages i betragtning. Dæmpningsmatricen opnås ved Raylwighs dæmpningskonstant a, multipliceret med henholdsvis massematrix og stivhedsmatrix. Den elektromekaniske koblingsenhed i den endelige piezo-elementmodel af keramiske rør er en ikke-lineær enhed, som bringer vanskeligheder til løsningen af ​​transient dynamisk analyse. Derfor bruges tidsintegralmetoden til at løse de dynamiske differentialligninger på diskrete tidspunkter. Tidstilvæksten kaldes integrationstidstrinnet (ITS), og størrelsen af ​​trinnet påvirker direkte nøjagtigheden af ​​den transiente analyseløsning. Trinstørrelsen er en vigtig parameter i analysen. Jo mindre tidstrin, jo højere nøjagtighed. Men et for lille tidsintegrationstrin vil spilde computerressourcer og kan endda føre til, at numerisk analyse ikke bliver fuldført. Hvis trinstørrelsen er for stor, vil beregningsfejlen for den højere ordens modale respons af den kvart piezoelektriske keramiske rørmekanisme blive forårsaget. Derfor, ifølge den faktiske situation, er den drivende bølgeform, der bruges i dette eksperiment, savtandbølgespændingen, og denne spænding ser ikke ud til at være alvorlig bølgeformsforvrængning.

 Samtidig, kombineret med de modale analyseresultater, i valget af integrationstidstrinnet, er hovedovervejelsen at løse svarfrekvensen, tidstrinnet skal være lille nok til at løse strukturens bevægelsesrespons. Ifølge prøvetagningssætningen er det optimale tidstrin TS≤1/20f (fabrikken er den naturlige frekvens for det kvart-piezoelektriske keramiske rør, egenfrekvensen er opnået fra produktparameterspecifikationen, og TS≤1/(10×2 242) opnås. ITS tages som 1,22 S-analysetrinet for det transiente pieeeric, så integrationstiden for det transiente piee. keramisk rør er taget som 1 s. Sammenfattende, når man analyserer piezoelektriske vibratorer, på grund af en række ikke-lineære faktorer som stor deformation, materiale ikke-linearitet og kontakt, bruges den komplette systemmatrix til at beregne den transiente dynamiske respons, dvs på den kvart piezoelektriske rørmekanisme Analyseresultaterne er som følger Når savtandspændingen på det kvart piezoelektriske keramiske rør er 100 Hz, og amplituden er 150 V, Kurven af forskydningen i y-retningen af det piezokeramiske rør blev vist som en funktion af et 7 amp påføres, forskydes den øverste ende af det piezokeramiske rør i y-retningen.

Kvartalet Pzt-materiale piezoelektrisk rør vil generere forskellige amplitudespændinger under påvirkning af savtandspændingen. Spændingen analyseres, og resultatet kan give en vis vejledning til installationen af ​​det piezoelektriske keramiske rør, og kan forudsige den position, hvor træthed opstår. Det viser vibratorlegemets globale spænding under transient analyse, og viser den maksimale lokale belastning. jo mørkere farve, jo større stress. Det kan ses, at toppen af ​​det keramiske rør er dets spændingskoncentrationszone, hvor der er størst sandsynlighed for træthed og brud, hvilket vil give teoretisk vejledning for installation og påføring af belastninger.