Ricerca dinamica del tubo piezoelettrico

La ceramica piezoelettrica è un tipo di materiale cristallino che subisce un cambiamento di forma come compressione o allungamento se sottoposto a stress meccanico. Quando la forma cambia, vengono generate cariche diverse su entrambi i lati del cristallo. Al contrario, aggiungendo una tensione diversa ai capi del i tubi piezoelettrici lineari comporteranno uno spostamento o uno stress meccanico corrispondente. Il tubo ceramico quarto piezoelettrico è un tubo ceramico cilindrico cavo con un rivestimento conduttivo sulla superficie cilindrica interna e quattro strati conduttivi di uguale area ma isolati l'uno dall'altro. L'applicazione di una tensione tra lo strato conduttivo della superficie interna e lo strato conduttivo della superficie esterna può far sì che il tubo ceramico produca una forma di movimento come flessione, allungamento o una corona sferica. Per utilizzare correttamente i tubi in ceramica è necessario eseguire l'analisi dinamica.

Analisi dinamica di tubi ceramici in allungamento

Supponendo che la tensione applicata al tubo sia pari a zero, ai quattro elettrodi esterni al tubo viene applicata simultaneamente una tensione positiva nella stessa direzione. Poi c'è £1:1 S12· + d31·E3 dove £ è la deformazione, e i numeri da 1 a 6 rappresentano le direzioni dei vettori di coordinate, che rappresentano rispettivamente z, Y, yz, z, xy. Sl2 rappresenta il modulo di elasticità, d. Indica la lunghezza ed E è l'intensità del campo elettrico. Dove b è il coefficiente di viscosità; è lo spostamento; J0 è la densità della ceramica; A è l'area della sezione trasversale del tubo ceramico; sfi è il coefficiente piezoelettrico.

L'analisi del movimento del tubo ceramico durante la piegatura viene analizzata dall'analisi statica della mano umana e la deformazione viene analizzata con il metodo geometrico. Nella formula l è la lunghezza del tubo ceramico; M è la massa del tubo ceramico per unità di lunghezza.

Analisi della simulazione

Attraverso l'analisi teorica di cui sopra, combinata con le equazioni meccaniche di allungamento e flessione del trasduttore cilindrico piezoelettrico , nella ricerca sperimentale è stato utilizzato il software ANSYS. Nell'analisi vengono eseguite l'analisi modale e l'analisi dinamica transitoria del tubo ceramico, tenendo conto dell'ingranamento e della conduzione effettiva quando si stabilisce il modello agli elementi finiti. Il cilindro cilindrico da quattro centesimi è costruito e incollato insieme per garantire che l'adesione tra i due cilindri non sia conduttiva, ma la trasmissione della forza e la deformazione siano conformi alla situazione reale.

Divisione a maglie di elementi finiti di un quarto di tubo ceramico piezoelettrico

Il tubo ceramico quarto piezoelettrico è un tipico dispositivo di accoppiamento elettromeccanico. Pertanto, per l'unità di divisione della griglia del tubo ceramico quarto piezoelettrico, è necessario utilizzare il tipo di elementi finiti che supporta l'analisi del campo accoppiato. L'analisi del campo accoppiato è supportata nelle unità lens3, solid5 e solid98 del software ANSYS, dove solid5 può essere utilizzato per analizzare materiali piezoelettrici. Il modello solido5 è un'unità tridimensionale composta da otto nodi che formano una struttura esaedrica con un massimo di sei gradi di libertà per nodo. Per l'analisi dei materiali piezoelettrici vengono utilizzati solo tre gradi di libertà di spostamento e un grado di libertà di tensione. Viene mostrato il diagramma degli elementi piezoelettrici finiti del tubo ceramico piezoelettrico diviso dall'unità di accoppiamento macchina-elettrica solid5. Queste includono 2.160 unità sol-id5 e 6.020 unità solid95. Il grado di libertà del solido5 è impostato su quattro, che sono gli spostamenti UX, UZ e un grado di libertà di tensione VOLT rispettivamente nelle direzioni X, y e Z.

Analisi modale di tubi ceramici piezoelettrici quarti

L'analisi modale è la base dell'analisi transitoria dinamica, che può determinare le caratteristiche di vibrazione del quarto di tubo ceramico piezoelettrico, vale a dire la frequenza naturale e la forma modale della struttura, fornendo una base teorica per la progettazione del circuito di azionamento. L'analisi modale di un tubo piezoceramico definisce innanzitutto le condizioni al contorno con una struttura simmetrica. A seconda della situazione reale nel processo di applicazione, alla superficie dell'estremità inferiore dell'elettrodo viene applicato un vincolo di spostamento pari a zero. Allo stesso tempo, vengono definite le potenziali condizioni al contorno della ceramica piezoelettrica e gli elettrodi superiore e inferiore dei due fogli di ceramica piezoelettrica adiacenti sono accoppiati da un nodo e sono anche definiti come una disconnessione elettrica. L'analisi modale della struttura del sistema viene quindi eseguita utilizzando il solutore modale completo fornito da ANSYS.

Analisi transitoria di tubi ceramici piezoelettrici quarti

L'analisi dinamica transitoria è stata eseguita per osservare la risposta dinamica del tubo ceramico mentre subisce qualsiasi carico variabile nel tempo. Nell'analisi ANSYS, la tensione a dente di sega è stata applicata al quarto di tubo ceramico piezoelettrico per ottenere la vibrazione di flessione del tubo ceramico piezoelettrico. Nel processo di analisi, a causa della correlazione tra carico e tempo, la forza d'inerzia e lo smorzamento sono due aspetti importanti da considerare. La matrice di smorzamento è ottenuta dalla costante di smorzamento di Raylwigh a, moltiplicata rispettivamente per la matrice di massa e la matrice di rigidezza. L'unità di accoppiamento elettromeccanico nel modello agli elementi piezoelettrici finiti del tubo ceramico è un'unità non lineare, che comporta difficoltà nella soluzione dell'analisi dinamica transitoria. Pertanto, il metodo dell'integrale temporale viene utilizzato per risolvere le equazioni differenziali dinamiche in punti temporali discreti. L'incremento temporale è chiamato fase temporale di integrazione (ITS) e la dimensione della fase influisce direttamente sull'accuratezza della soluzione di analisi transitoria. La dimensione del passo è un parametro importante nell'analisi. Minore è il passo temporale, maggiore è la precisione. Tuttavia, un passaggio di integrazione temporale troppo piccolo sprecherà risorse di calcolo e potrebbe persino portare al mancato completamento dell'analisi numerica. Se la dimensione del passo è troppo grande, verrà causato un errore di calcolo della risposta modale di ordine superiore del meccanismo del tubo ceramico piezoelettrico a un quarto. Pertanto, in base alla situazione reale, la forma d'onda utilizzata in questo esperimento è la tensione dell'onda a dente di sega e questa tensione non presenta una grave distorsione della forma d'onda.

 Allo stesso tempo, in combinazione con i risultati dell'analisi modale, nella selezione del passo temporale di integrazione, la considerazione principale è risolvere la frequenza di risposta, il passo temporale dovrebbe essere sufficientemente piccolo da risolvere la risposta al movimento della struttura. Secondo il teorema del campionamento, l'intervallo temporale ottimale è TS≤1/20f (quello di fabbrica è la frequenza naturale del quarto di tubo ceramico piezoelettrico, la frequenza naturale è ottenuta dalla specifica del parametro del prodotto e si ottiene TS≤1/(10×2 242). L'ITS è considerato pari a 1,22 S, quindi l'intervallo temporale di integrazione dell'analisi transitoria del quarto di tubo ceramico piezoelettrico è pari a 1 s. In sintesi, quando si analizza il piezoelettrico vibratori, a causa di una varietà di fattori non lineari come grande deformazione, non linearità del materiale e contatto, la matrice del sistema completo viene utilizzata per calcolare la risposta dinamica transitoria, ovvero senza alcuna forma di semplificazione della matrice. Ciò ridurrà al minimo gli effetti della non linearità. L'analisi e la soluzione della dinamica transitoria vengono eseguite sul meccanismo del tubo ceramico piezoelettrico. I risultati dell'analisi sono i seguenti 150 V, È stata ottenuta la curva dello spostamento nella direzione y del tubo piezoceramico mostrata in funzione del tempo. Quando viene applicato un segnale a gradino con un'ampiezza di tensione di 270 V, l'estremità superiore del tubo piezoceramico viene spostata nella direzione y.

Il trimestre Il tubo piezoelettrico in materiale Pzt genererà sollecitazioni di ampiezza diversa sotto l'azione della tensione a dente di sega. Lo stress viene analizzato e il risultato può fornire una certa guida all'installazione del tubo ceramico piezoelettrico e può prevedere la posizione in cui si verifica la fatica. Mostra lo stress globale del corpo del vibratore durante l'analisi transitoria e mostra lo stress locale massimo. più scuro è il colore, maggiore è lo stress. Si può notare che la parte superiore del tubo ceramico è la zona di concentrazione delle sollecitazioni, dove è più probabile che si verifichino fatica e frattura, e che fornirà una guida teorica per l'installazione e l'applicazione dei carichi.