Dynamisch onderzoek van piëzo-elektriciteitsbuis

Piëzo-elektrische keramiek is een soort kristalmateriaal dat een vormverandering ondergaat, zoals compressie of rek, wanneer het wordt blootgesteld aan mechanische spanning. Naarmate de vorm verandert, worden aan beide zijden van het kristal verschillende ladingen gegenereerd. Omgekeerd voegt u een andere spanning toe over de lineaire piëzobuizen zullen resulteren in een overeenkomstige mechanische verplaatsing of spanning. De kwart-piëzo-elektrische keramische buis is een holle cilindrische keramische buis met een geleidende coating op het cilindrische binnenoppervlak en vier geleidende lagen die qua oppervlakte gelijk zijn maar van elkaar geïsoleerd. Het aanleggen van een spanning tussen de geleidende laag van het binnenoppervlak en de geleidende laag van het buitenoppervlak kan ervoor zorgen dat de keramische buis een vorm van beweging produceert, zoals buigen, verlengen of een bolvormige kroon. Om keramische buizen goed te kunnen gebruiken, moet dynamische analyse worden uitgevoerd.

Dynamische analyse van keramische buizen in rek

Ervan uitgaande dat de aangelegde spanning een nulspanning is die op de buis wordt aangelegd, worden de vier elektroden buiten de buis gelijktijdig aangelegd met een positieve spanning in dezelfde richting. Dan is er £1:1 S12· + d31·E3 waarbij £ rek is, en de getallen 1 tot en met 6 vertegenwoordigen coördinaatvectorrichtingen, die respectievelijk z, Y, yz, z, xy vertegenwoordigen. Sl2 vertegenwoordigt de elasticiteitsmodulus, d. Geeft de lengte aan en E is de elektrische veldsterkte. Waar b de viscositeitscoëfficiënt is; is de verplaatsing; J0 is de keramische dichtheid; A is het dwarsdoorsnede-oppervlak van de keramische buis; sfi is de piëzo-elektrische coëfficiënt.

De bewegingsanalyse van de keramische buis tijdens het buigen wordt geanalyseerd op basis van de statische analyse van de menselijke hand, en de vervorming wordt geanalyseerd met behulp van een geometrische methode. In de formule is l de lengte van de keramische buis; M is de massa van de keramische buis per lengte-eenheid.

Simulatie analyse

Door de bovenstaande theoretische analyse, gecombineerd met de mechanische vergelijkingen van rek en buiging van piëzo-elektrische cilindertransducers en ANSYS-software. Bij het experimentele onderzoek werd gebruik gemaakt van De modale analyse en transiënte dynamica-analyse van de keramische buis worden uitgevoerd in de analyse, waarbij rekening wordt gehouden met de meshing en feitelijke geleiding bij het vaststellen van het eindige-elementenmodel. De cilindrische cilinder van vier cent is als één geheel gebouwd en met elkaar verbonden om ervoor te zorgen dat de hechting tussen de twee cilinders niet geleidend is, maar dat de krachtoverdracht en vervorming overeenkomen met de werkelijke situatie.

Eindige-elementenmaasverdeling van een kwart piëzo-elektrische keramische buis

De kwart-piëzo-elektrische keramische buis is een typisch elektromechanisch koppelapparaat. Daarom moet voor de roosterverdelingseenheid van de kwart-piëzo-elektrische keramische buis het eindige elemententype worden gebruikt dat de gekoppelde veldanalyse ondersteunt. Gekoppelde veldanalyse wordt ondersteund in de lens3-, solid5- en solid98-eenheden van ANSYS-software, waar solid5 kan worden gebruikt om piëzo-elektrische materialen te analyseren. Het solid5-model is een driedimensionale eenheid bestaande uit acht knooppunten die een hexaëdrische structuur vormen met maximaal zes vrijheidsgraden per knooppunt. Voor de analyse van piëzo-elektrische materialen worden slechts drie verplaatsingsvrijheidsgraden en één spanningsvrijheidsgraad gebruikt. Het eindige piëzo-elementendiagram van de piëzo-elektrische keramische buis gedeeld door de solid5 machine-elektrische koppeleenheid wordt getoond. Deze omvatten 2.160 solid-id5-eenheden en 6.020 solid95-eenheden. De vrijheidsgraad van solid5 is ingesteld op vier, dit zijn de verplaatsingen UX, UZ en een spanningsvrijheidsgraad VOLT in respectievelijk de X-, y- en Z-richting.

Modale analyse van kwart-piëzo-elektrische keramische buizen

Modale analyse is de basis van dynamische transiënte analyse, die de trillingskarakteristieken van de kwart piëzo-elektrische keramische buis kan bepalen, namelijk de natuurlijke frequentie en modusvorm van de structuur, wat een theoretische basis vormt voor het ontwerp van het aandrijfcircuit. De modale analyse van een piëzokeramische buis definieert eerst de randvoorwaarden met een symmetrische structuur. Volgens de feitelijke situatie tijdens het aanbrengproces wordt een verplaatsingsbeperking van nul toegepast op het onderste eindoppervlak van de elektrode. Tegelijkertijd worden de potentiële randvoorwaarden van het piëzo-elektrische keramiek gedefinieerd, en worden de bovenste en onderste elektroden van de aangrenzende twee piëzo-elektrische keramische platen gekoppeld door een knooppunt, en worden ook gedefinieerd als een elektrische ontkoppeling. De modale analyse van de systeemstructuur wordt vervolgens uitgevoerd met behulp van de modale volledige oplosser van ANSYS.

Transiënte analyse van kwart-piëzo-elektrische keramische buizen

De transiënte dynamiekanalyse werd uitgevoerd om de dynamische respons van de keramische buis te observeren wanneer deze een in de tijd variërende belasting ondergaat. In de ANSYS-analyse werd de zaagtandspanning toegepast op de kwart piëzo-elektrische keramische buis om de buigtrilling van de piëzo-keramische buis te verkrijgen. In het analyseproces zijn, vanwege de correlatie tussen belasting en tijd, traagheidskracht en demping twee belangrijke aspecten waarmee rekening moet worden gehouden. De dempingsmatrix wordt verkregen door de Raylwigh-dempingsconstante a, vermenigvuldigd met respectievelijk de massamatrix en de stijfheidsmatrix. De elektromechanische koppelingseenheid in het eindige piëzo-elementenmodel van keramische buizen is een niet-lineaire eenheid, wat problemen oplevert bij de oplossing van voorbijgaande dynamische analyse. Daarom wordt de tijdsintegrale methode gebruikt om de dynamische differentiaalvergelijkingen op discrete tijdstippen op te lossen. De tijdsstap wordt de integratietijdstap (ITS) genoemd, en de grootte van de stap heeft rechtstreeks invloed op de nauwkeurigheid van de tijdelijke analyseoplossing. De stapgrootte is een belangrijke parameter in de analyse. Hoe kleiner de tijdstap, hoe hoger de nauwkeurigheid. Een te kleine tijdsintegratiestap verspilt echter computerbronnen en kan er zelfs toe leiden dat de numerieke analyse niet wordt voltooid. Als de stapgrootte te groot is, zal de rekenfout van de modale respons van hogere orde van het kwart-piëzo-elektrische keramische buismechanisme worden veroorzaakt. Daarom is, afhankelijk van de feitelijke situatie, de aandrijvende golfvorm die in dit experiment wordt gebruikt de zaagtandgolfspanning, en deze spanning vertoont geen ernstige golfvormvervorming.

 Tegelijkertijd, gecombineerd met de modale analyseresultaten, is de belangrijkste overweging bij de selectie van de integratietijdstap het oplossen van de responsfrequentie; de ​​tijdstap moet klein genoeg zijn om de bewegingsrespons van de structuur op te lossen. Volgens de bemonsteringsstelling is de optimale tijdstap TS≤1/20f (de fabriek is de natuurlijke frequentie van de kwart-piëzo-elektrische keramische buis, de natuurlijke frequentie wordt verkregen uit de productparameterspecificatie en TS≤1/(10×2 242) wordt verkregen. De ITS wordt genomen als 1,22 S, dus de integratietijdstap van de transiënte analyse van de kwart-piëzo-elektrische keramische buis wordt genomen als 1 s. Samenvattend: bij het analyseren van piëzo-elektrische vibrators, vanwege een verscheidenheid aan niet-lineaire factoren, zoals grote vervorming, niet-lineariteit van het materiaal en contact, wordt de volledige systeemmatrix gebruikt om de transiënte dynamische respons te berekenen, dat wil zeggen zonder enige vorm van vereenvoudiging van de matrix. Dit zal de effecten van niet-lineariteit minimaliseren en de oplossing wordt uitgevoerd op het kwart piëzo-elektrische keramische buismechanisme. Wanneer de zaagtandspanning op de kwart piëzo-elektrische keramische buis 100 Hz is en de amplitude is 150 V, De curve van de verplaatsing in de y-richting van de piëzokeramische buis, weergegeven als functie van de tijd, werd verkregen. Wanneer een stapsignaal met een spanningsamplitude van 270 V wordt aangelegd, wordt het bovenste uiteinde van de piëzokeramische buis in de y-richting verplaatst.

Het kwartaal Pzt-materiaal piëzo-elektrische buis zal verschillende amplitudespanningen genereren onder invloed van de zaagtandspanning. De spanning wordt geanalyseerd en het resultaat kan een bepaalde leidraad geven voor de installatie van de piëzo-elektrische keramische buis, en kan de positie voorspellen waar vermoeidheid optreedt. Het toont de globale spanning van het vibratorlichaam tijdens voorbijgaande analyse, en toont de maximale lokale spanning. hoe donkerder de kleur, hoe groter de spanning. Het is duidelijk dat de bovenkant van de keramische buis de spanningsconcentratiezone is, waar vermoeidheid en breuk het meest waarschijnlijk zullen optreden, wat theoretische richtlijnen zal opleveren voor de installatie en toepassing van belastingen.