تحقیق دینامیک لوله پیزوالکتریک

سرامیک های پیزوالکتریک نوعی ماده کریستالی هستند که در اثر فشار مکانیکی دچار تغییر شکل مانند فشردگی یا کشیدگی می شوند. با تغییر شکل، بارهای مختلفی در دو طرف کریستال ایجاد می شود. برعکس، اضافه کردن یک ولتاژ متفاوت در سراسر لوله های پیزو خطی منجر به تغییر مکان یا تنش مکانیکی مربوطه می شود. لوله سرامیکی ربع پیزوالکتریک یک لوله سرامیکی استوانه ای توخالی با یک پوشش رسانا در سطح استوانه ای داخلی و چهار لایه رسانا است که از نظر مساحت مساوی هستند اما از یکدیگر عایق هستند. اعمال ولتاژ بین لایه رسانای سطح داخلی و لایه رسانای سطح بیرونی می تواند باعث شود لوله سرامیکی نوعی حرکت مانند خمش، ازدیاد طول یا تاج کروی ایجاد کند. برای استفاده صحیح از لوله های سرامیکی باید آنالیز دینامیکی انجام شود.

تجزیه و تحلیل دینامیکی لوله های سرامیکی در ازدیاد طول

با فرض اینکه ولتاژ اعمال شده ولتاژ اعمال شده به لوله صفر است، چهار الکترود خارج از لوله به طور همزمان با یک ولتاژ مثبت در یک جهت اعمال می شوند. سپس £1:1 S12· + d31·E3 وجود دارد که £ کرنش است، و اعداد 1 تا 6 نشان دهنده جهت های بردار مختصاتی هستند که به ترتیب نشان دهنده z، Y، yz، z، xy هستند. Sl2 نشان دهنده مدول الاستیسیته، d. نشان دهنده طول و E شدت میدان الکتریکی است. جایی که b ضریب ویسکوزیته است. جابجایی است. J0 چگالی سرامیکی است. A سطح مقطع لوله سرامیکی است. sfi ضریب پیزوالکتریک است.

تجزیه و تحلیل حرکت لوله سرامیکی هنگام خم شدن از تجزیه و تحلیل استاتیکی دست انسان و تغییر شکل با روش هندسی تجزیه و تحلیل می شود. در فرمول، l طول لوله سرامیکی است. M جرم لوله سرامیکی در واحد طول است.

تحلیل شبیه سازی

از طریق تحلیل نظری فوق، همراه با معادلات مکانیکی ازدیاد طول و خمش از مبدل سیلندر پیزوالکتریک ، نرم افزار ANSYS استفاده شد. در تحقیق تجربی تجزیه و تحلیل مودال و تجزیه و تحلیل دینامیک گذرا لوله سرامیکی با در نظر گرفتن مش بندی و هدایت واقعی هنگام ایجاد مدل المان محدود، در تحلیل انجام می شود. استوانه استوانه ای چهار سانت به طور کلی ساخته و به هم متصل می شود تا اطمینان حاصل شود که چسبندگی بین دو سیلندر رسانا نیست، اما انتقال نیرو و تغییر شکل با وضعیت واقعی مطابقت دارد.

تقسیم مش المان محدود یک چهارم لوله سرامیکی پیزوالکتریک

لوله سرامیکی یک چهارم پیزوالکتریک یک دستگاه کوپلینگ الکترومکانیکی معمولی است. بنابراین، برای واحد تقسیم شبکه لوله سرامیکی یک چهارم پیزوالکتریک، باید از نوع المان محدود که از تحلیل میدان جفت شده پشتیبانی می‌کند استفاده شود. تجزیه و تحلیل میدان جفت شده در واحدهای lens3، solid5 و solid98 نرم افزار ANSYS پشتیبانی می شود، جایی که می توان از solid5 برای تجزیه و تحلیل مواد پیزوالکتریک استفاده کرد. مدل solid5 یک واحد سه بعدی متشکل از هشت گره است که یک ساختار شش وجهی با حداکثر شش درجه آزادی در هر گره را تشکیل می دهد. تنها سه درجه جابجایی آزادی و یک درجه آزادی ولتاژ برای تجزیه و تحلیل مواد پیزوالکتریک استفاده می شود. نمودار اجزای محدود پیزوی لوله سرامیکی پیزوالکتریک تقسیم بر واحد کوپلینگ ماشین الکتریک solid5 نشان داده شده است. اینها شامل 2160 واحد sol-id5 و 6020 واحد جامد95 است. درجه آزادی solid5 روی چهار تنظیم شده است که به ترتیب جابجایی‌های UX، UZ و درجه آزادی ولتاژ VOLT در جهت‌های X، y و Z است.

تجزیه و تحلیل مودال لوله های سرامیکی پیزوالکتریک چهارم

تحلیل مودال اساس تحلیل گذرای دینامیکی است که می‌تواند ویژگی‌های ارتعاش لوله سرامیکی پیزوالکتریک چهارم، یعنی فرکانس طبیعی و شکل حالت سازه را تعیین کند و مبنایی نظری برای طراحی مدار محرک فراهم کند. تحلیل مودال یک لوله پیزوسرامیک ابتدا شرایط مرزی را با یک ساختار متقارن تعریف می کند. با توجه به وضعیت واقعی در فرآیند کاربرد، یک محدودیت جابجایی صفر به سطح انتهایی الکترود اعمال می شود. در همان زمان، شرایط مرزی پتانسیل سرامیک پیزوالکتریک تعریف می شود و الکترودهای بالایی و پایینی دو ورق سرامیکی پیزوالکتریک مجاور توسط یک گره جفت می شوند و همچنین به عنوان یک قطع الکتریکی تعریف می شوند. سپس تجزیه و تحلیل مودال ساختار سیستم با استفاده از حل کننده کامل مودال ارائه شده توسط ANSYS انجام می شود.

تجزیه و تحلیل گذرا لوله های سرامیکی پیزوالکتریک چهارم

تجزیه و تحلیل دینامیک گذرا برای مشاهده پاسخ دینامیکی لوله سرامیکی به عنوان تحت هر بار متغیر زمانی انجام شد. در تجزیه و تحلیل ANSYS، ولتاژ دندانه اره به لوله سرامیکی پیزوالکتریک چهارم اعمال شد تا ارتعاش خمشی لوله سرامیکی پیزو به دست آید. در فرآیند تحلیل، با توجه به همبستگی بین بار و زمان، نیروی اینرسی و میرایی دو جنبه مهم هستند که باید در نظر گرفته شوند. ماتریس میرایی با ثابت میرایی a Raylwigh بدست می آید که به ترتیب در ماتریس جرم و ماتریس سختی ضرب می شود. واحد کوپلینگ الکترومکانیکی در مدل المان پیزو محدود لوله سرامیکی یک واحد غیر خطی است که برای حل تحلیل دینامیکی گذرا مشکلاتی را به همراه دارد. بنابراین از روش انتگرال زمانی برای حل معادلات دیفرانسیل دینامیکی در نقاط زمانی گسسته استفاده می شود. افزایش زمان را گام زمانی ادغام (ITS) می نامند و اندازه گام مستقیماً بر دقت حل تحلیل گذرا تأثیر می گذارد. اندازه گام یک پارامتر مهم در تجزیه و تحلیل است. هرچه گام زمانی کوچکتر باشد، دقت بالاتری دارد. با این حال، یک مرحله ادغام زمانی بسیار کوچک، منابع محاسباتی را هدر می دهد و حتی ممکن است منجر به تکمیل نشدن تحلیل عددی شود. اگر اندازه گام بیش از حد بزرگ باشد، خطای محاسبه پاسخ مدال مرتبه بالاتر مکانیزم لوله سرامیکی پیزوالکتریک چهارم ایجاد می شود. بنابراین، با توجه به وضعیت واقعی، شکل موج محرک مورد استفاده در این آزمایش، ولتاژ موج دندانه اره است و این ولتاژ اعوجاج شکل موج جدی به نظر نمی رسد.

 در عین حال، همراه با نتایج تحلیل مودال، در انتخاب مرحله زمانی یکپارچه سازی، توجه اصلی حل فرکانس پاسخ است، گام زمانی باید به اندازه کافی کوچک باشد تا پاسخ حرکت سازه را حل کند. با توجه به قضیه نمونه‌برداری، گام زمانی بهینه TS≤1/20f است (کارخانه فرکانس طبیعی لوله سرامیکی چهارم پیزوالکتریک است، فرکانس طبیعی از مشخصات پارامتر محصول به‌دست می‌آید و TS≤1/(10×2242) به‌دست می‌آید. ITS به‌عنوان گام گذرا 1.22 از زمان تحلیل S گرفته می‌شود. لوله سرامیکی پیزوالکتریک به طور خلاصه، هنگام تجزیه و تحلیل ارتعاشات پیزوالکتریک، به دلیل انواع عوامل غیرخطی مانند تغییر شکل بزرگ، غیرخطی بودن مواد و تماس، از ماتریس کامل سیستم برای محاسبه پاسخ دینامیکی گذرا استفاده می شود، یعنی بدون هیچ گونه شکلی از ساده سازی ماتریس بر روی مکانیزم لوله پیزوالکتریک، نتایج آنالیز به صورت زیر است 270 ولت اعمال می شود، انتهای بالایی لوله پیزوسرامیک در جهت y جابجا می شود.

ربع لوله پیزوالکتریک مواد Pzt تنش های دامنه متفاوتی را تحت تأثیر ولتاژ دندانه اره ایجاد می کند. تنش تجزیه و تحلیل می‌شود و نتیجه می‌تواند راهنمایی خاصی برای نصب لوله سرامیکی پیزوالکتریک ارائه دهد و می‌تواند موقعیتی را که در آن خستگی رخ می‌دهد پیش‌بینی کند. استرس کلی بدنه ویبراتور را در طول تحلیل گذرا نشان می‌دهد و حداکثر تنش محلی را نشان می‌دهد. هرچه رنگ تیره تر باشد، استرس بیشتر است. مشاهده می شود که قسمت بالای لوله سرامیکی ناحیه تمرکز تنش آن است که در آن بیشترین احتمال وقوع خستگی و شکستگی وجود دارد که راهنمایی تئوری برای نصب و اعمال بارها ارائه می دهد.