Pietsosähköisen putken dynamiikkatutkimus

Pietsosähköinen keramiikka on eräänlainen kidemateriaali, jonka muoto muuttuu, kuten puristus tai venymä joutuessaan alttiiksi mekaaniselle rasitukselle. Kun muoto muuttuu, kiteen molemmille puolille muodostuu erilaisia ​​varauksia. Päinvastoin, lisäämällä eri jännitettä lineaariset pietsoputket aiheuttavat vastaavan mekaanisen siirtymän tai jännityksen. Neljännespietsosähköinen keraaminen putki on ontto lieriömäinen keraaminen putki, jonka sylinterimäisessä sisäpinnassa on johtava pinnoite ja neljä johtavaa kerrosta, jotka ovat pinta-alaltaan yhtä suuret mutta eristettyjä toisistaan. Jännitteen kohdistaminen sisäpinnan johtavan kerroksen ja ulkopinnan johtavan kerroksen välille voi saada keraamisen putken aikaan liikkeen, kuten taivutuksen, venymisen tai pallomaisen kruunun. Jotta keraamiset putket voidaan käyttää oikein, on suoritettava dynaaminen analyysi.

Keraamisten putkien dynaaminen venymäanalyysi

Olettaen, että syötetty jännite on nolla putkeen kohdistettua jännitettä, putken ulkopuolisiin neljään elektrodiin syötetään samanaikaisesti positiivinen jännite samaan suuntaan. Sitten on £1:1 S12· + d31·E3, jossa £ on venymä ja luvut 1 - 6 edustavat koordinaattivektorisuuntia, jotka edustavat vastaavasti z, Y, yz, z, xy. Sl2 edustaa kimmomoduulia d. Osoittaa pituuden ja E on sähkökentän voimakkuus. missä b on viskositeettikerroin; on siirtymä; J0 on keraaminen tiheys; A on keraamisen putken poikkileikkausala; sfi on pietsosähköinen kerroin.

Keraamisen putken liikeanalyysi taivutettaessa analysoidaan ihmisen käden staattisesta analyysistä ja muodonmuutos analysoidaan geometrisella menetelmällä. Kaavassa l on keraamisen putken pituus; M on keraamisen putken massa pituusyksikköä kohti.

Simulaatioanalyysi

Yllä olevan teoreettisen analyysin kautta yhdistettynä venymän ja taivutuksen mekaanisiin yhtälöihin pietsosähköistä sylinterianturia , ANSYS-ohjelmistoa. kokeellisessa tutkimuksessa käytettiin Analyysissä suoritetaan keraamisen putken modaalianalyysi ja transienttidynamiikka-analyysi ottaen huomioon elementtimallia määritettäessä silmukka ja todellinen johtuminen. Neljän sentin sylinterimäinen sylinteri on rakennettu ja liimattu yhteen kokonaisuutena varmistamaan, että kahden sylinterin välinen adheesio ei ole johtavaa, vaan voimansiirto ja muodonmuutos vastaavat todellista tilannetta.

Neljännespietsosähköisen keraamisen putken äärelliselementtiverkkojako

Neljännespietsosähköinen keraaminen putki on tyypillinen sähkömekaaninen kytkentälaite. Siksi neljännespietsosähköisen keraamisen putken verkkojakoyksikössä on käytettävä elementtityyppiä, joka tukee kytketyn kentän analyysiä. Kytketty kenttäanalyysi on tuettu ANSYS-ohjelmiston linssi3-, solid5- ja solid98-yksiköissä, joissa solid5:tä voidaan käyttää pietsosähköisten materiaalien analysointiin. Solid5-malli on kolmiulotteinen yksikkö, joka koostuu kahdeksasta solmusta, jotka muodostavat kuusikulmaisen rakenteen, jossa on enintään kuusi vapausastetta solmua kohti. Pietsosähköisten materiaalien analysointiin käytetään vain kolmea siirtymän vapausastetta ja yhtä jännitteen vapausastetta. Pietsosähköisen keraamisen putken äärellinen pietsoelementtikaavio jaettuna solid5-kone-sähkökytkentäyksiköllä on esitetty. Näihin kuuluu 2 160 sol-id5 yksikköä ja 6 020 solid95 yksikköä. Solidin5 vapausaste on asetettu neljään, jotka ovat siirtymät UX, UZ ja jännitteen vapausaste VOLT vastaavasti X-, y- ja Z-suunnissa.

Neljännespietsosähköisten keraamisten putkien modaalianalyysi

Modaalianalyysi on dynaamisen transienttianalyysin perusta, jolla voidaan määrittää neljännespietsosähköisen keraamisen putken värähtelyominaisuudet, eli rakenteen luonnollinen taajuus ja tilamuoto, mikä tarjoaa teoreettisen perustan käyttöpiirin suunnittelulle. Pietsokeraamisen putken modaalianalyysi määrittelee ensin rajaehdot symmetrisellä rakenteella. Käyttöprosessin todellisen tilanteen mukaan elektrodin alapäätypintaan sovelletaan nollasiirtorajoitusta. Samalla määritellään pietsosähköisen keramiikan potentiaaliset rajaolosuhteet ja kahden vierekkäisen pietsosähköisen keraamisen levyn ylä- ja alaelektrodit on kytketty solmulla, ja ne määritellään myös sähköiseksi irtikytkentäksi. Järjestelmän rakenteen modaalinen analyysi suoritetaan sitten käyttämällä ANSYS:n tarjoamaa modaalista täydellistä ratkaisijaa.

Neljännespietsosähköisten keraamisten putkien transienttianalyysi

Transienttidynamiikan analyysi suoritettiin keraamisen putken dynaamisen vasteen tarkkailemiseksi sen läpikäydessä minkä tahansa ajallisesti vaihtelevan kuormituksen. ANSYS-analyysissä sahanhammasjännite kohdistettiin neljännespietsosähköiseen keraamiseen putkeen pietsosähköisen keraamisen putken taivutusvärähtelyn saamiseksi. Analyysiprosessissa kuorman ja ajan välisen korrelaation vuoksi inertiavoima ja vaimennus ovat kaksi tärkeää huomioitavaa näkökohtaa. Vaimennusmatriisi saadaan Raylwighin vaimennusvakiolla a kerrottuna massamatriisilla ja jäykkyysmatriisilla. Keraamisen putken pietsoelementtimallin sähkömekaaninen kytkentäyksikkö on epälineaarinen yksikkö, mikä vaikeuttaa transienttidynaamisen analyysin ratkaisua. Siksi aika-integraalimenetelmää käytetään dynaamisten differentiaaliyhtälöiden ratkaisemiseen diskreeteissä aikapisteissä. Aikalisäystä kutsutaan integraatioaikaaskeleeksi (ITS), ja askeleen koko vaikuttaa suoraan transienttianalyysiratkaisun tarkkuuteen. Askelkoko on tärkeä parametri analyysissä. Mitä pienempi aika-askel, sitä suurempi tarkkuus. Liian pieni aikaintegrointivaihe kuitenkin tuhlaa laskentaresursseja ja voi jopa johtaa numeerisen analyysin jäämiseen loppuun. Jos askelkoko on liian suuri, syntyy neljännespietsosähköisen keraamisen putkimekanismin korkeamman asteen modaalivasteen laskentavirhe. Siksi todellisen tilanteen mukaan tässä kokeessa käytetty ajoaaltomuoto on sahanhammasaaltojännite, eikä tämä jännite näytä vakavalta aaltomuodon vääristymiseltä.

 Samaan aikaan yhdistettynä modaalisen analyysin tuloksiin integrointiaikavaiheen valinnassa tärkeintä on ratkaista vastetaajuus, aika-askeleen tulee olla riittävän pieni rakenteen liikevasteen ratkaisemiseksi. Näytteenottolauseen mukaan optimaalinen aika-askel on TS≤1/20f (tehdas on neljännespietsosähköisen keraamisen putken luonnollinen taajuus, ominaistaajuus saadaan tuoteparametrispesifikaatiosta ja saadaan TS≤1/(10×2 242). ITS otetaan 1,22 S:n neljännesputken pietsoanalyysin askeleena, joten transienttinen integrointiaika on keraamisen putken neljänneselektroniikka-askel. Yhteenvetona, kun analysoidaan pietsosähköisiä vibraattoreita, johtuen useista epälineaarisista tekijöistä, kuten suuresta muodonmuutoksesta, materiaalin epälineaarisuudesta ja kosketuksesta, kokonaismatriisia käytetään laskemaan transienttia dynaamista vastetta, eli ilman minkäänlaista matriisin yksinkertaistamista. Analyysitulokset ovat seuraavat, kun neljännespietsosähköiseen keraamiseen putkeen kohdistettu sahajännite on 100 Hz ja amplitudi 150 V, Pietsokeraamisen putken siirtymän käyrä y-suunnassa saatiin ajan funktiona. y suuntaan.

Neljännes Pzt-materiaalista valmistettu pietsosähköinen putki tuottaa erilaisia ​​amplitudisia jännityksiä sahanhammasjännitteen vaikutuksesta. Jännitys analysoidaan, ja tulos voi antaa tietyn opastuksen pietsosähköisen keraamisen putken asennuksessa ja voi ennustaa väsymyksen esiintymiskohdan. Se näyttää täryttimen rungon globaalin jännityksen transienttianalyysin aikana ja osoittaa suurimman paikallisen jännityksen. mitä tummempi väri, sitä suurempi stressi. Voidaan nähdä, että keraamisen putken yläosa on sen jännityskeskittymisvyöhyke, jossa todennäköisimmin esiintyy väsymistä ja murtumista, mikä antaa teoreettista ohjausta asennukseen ja kuormituksen kohdistamiseen.