Badania dynamiki rury piezoelektrycznej

Ceramika piezoelektryczna to rodzaj materiału krystalicznego, który pod wpływem naprężenia mechanicznego ulega zmianie kształtu, takiej jak ściskanie lub wydłużanie. Wraz ze zmianą kształtu po obu stronach kryształu generowane są różne ładunki. I odwrotnie, dodanie innego napięcia na liniowe rurki piezoelektryczne spowodują odpowiednie przemieszczenie mechaniczne lub naprężenie. Ćwierćpiezoelektryczna rura ceramiczna to wydrążona cylindryczna rura ceramiczna z powłoką przewodzącą na wewnętrznej cylindrycznej powierzchni i czterema warstwami przewodzącymi o równej powierzchni, ale odizolowanymi od siebie. Przyłożenie napięcia pomiędzy warstwą przewodzącą powierzchni wewnętrznej a warstwą przewodzącą powierzchni zewnętrznej może spowodować, że rura ceramiczna wytworzy taki rodzaj ruchu, jak zginanie, wydłużenie lub kulisty korona. Aby prawidłowo zastosować rurki ceramiczne, należy przeprowadzić analizę dynamiczną.

Analiza dynamiczna rur ceramicznych w wydłużeniu

Zakładając, że przyłożone napięcie jest zerowym napięciem przyłożonym do lampy, do czterech elektrod na zewnątrz rury przykładane jest jednocześnie napięcie dodatnie w tym samym kierunku. Następnie istnieje £1:1 S12· + d31·E3, gdzie £ jest odkształceniem, a liczby od 1 do 6 reprezentują kierunki wektorów współrzędnych, które reprezentują odpowiednio z, Y, yz, z, xy. Sl2 oznacza moduł sprężystości, d. Wskazuje długość, a E to natężenie pola elektrycznego. Gdzie b jest współczynnikiem lepkości; jest przemieszczeniem; J0 to gęstość ceramiki; A jest polem przekroju poprzecznego rurki ceramicznej; sfi to współczynnik piezoelektryczny.

Analizę ruchu rury ceramicznej podczas zginania analizuje się na podstawie analizy statycznej ręki ludzkiej, a odkształcenie analizuje się metodą geometryczną. We wzorze l jest długością rurki ceramicznej; M jest masą rurki ceramicznej na jednostkę długości.

Analiza symulacyjna

Poprzez powyższą analizę teoretyczną w połączeniu z mechanicznymi równaniami wydłużenia i zginania piezoelektryczny przetwornik cylindryczny z oprogramowaniem ANSYS. W badaniach eksperymentalnych wykorzystano W analizie przeprowadza się analizę modalną i analizę dynamiki nieustalonej rury ceramicznej, biorąc pod uwagę zazębienie i rzeczywiste przewodnictwo przy ustalaniu modelu elementów skończonych. Czterocentowy cylindryczny cylinder jest zbudowany i połączony ze sobą jako całość, aby zapewnić, że przyczepność między dwoma cylindrami nie przewodzi, ale przenoszenie siły i odkształcenie odpowiadają rzeczywistej sytuacji.

Podział siatki elementów skończonych ćwierćpiezoelektrycznej rurki ceramicznej

Typowym elektromechanicznym urządzeniem sprzęgającym jest ćwierćpiezoelektryczna rura ceramiczna. Dlatego w przypadku jednostki podziału siatki ćwierćpiezoelektrycznej rury ceramicznej należy zastosować typ elementu skończonego, który wspiera analizę pola sprzężonego. Analiza pola sprzężonego jest obsługiwana w jednostkach Lens3, Solid5 i Solid98 oprogramowania ANSYS, gdzie Solid5 może być używany do analizy materiałów piezoelektrycznych. Model solid5 jest trójwymiarową jednostką składającą się z ośmiu węzłów tworzących strukturę sześciokątną z maksymalnie sześcioma stopniami swobody na węzeł. Do analizy materiałów piezoelektrycznych wykorzystuje się tylko trzy stopnie swobody przemieszczenia i jeden stopień swobody napięcia. Pokazano schemat skończonych elementów piezoelektrycznych piezoelektrycznej rury ceramicznej podzielony przez zespół sprzęgający maszynowo-elektryczny solid5. Obejmują one 2160 jednostek sol-id5 i 6020 jednostek solid95. Stopień swobody bryły 5 jest ustawiony na cztery, które są przemieszczeniami UX, UZ i napięciowym stopniem swobody VOLT odpowiednio w kierunkach X, y i Z.

Analiza modalna ćwierćpiezoelektrycznych rur ceramicznych

Analiza modalna jest podstawą dynamicznej analizy stanów przejściowych, która pozwala określić charakterystykę drgań ćwierćpiezoelektrycznej rury ceramicznej, a mianowicie częstotliwość drgań własnych i kształt drgań konstrukcji, zapewniając teoretyczne podstawy do projektowania obwodu sterującego. Analiza modalna rurki piezoceramicznej najpierw definiuje warunki brzegowe o symetrycznej strukturze. Zgodnie z rzeczywistą sytuacją w procesie nakładania, do dolnej powierzchni końcowej elektrody stosuje się ograniczenie przemieszczenia zerowego. Jednocześnie określa się potencjalne warunki brzegowe ceramiki piezoelektrycznej, a górna i dolna elektroda dwóch sąsiednich arkuszy ceramiki piezoelektrycznej są połączone węzłem i są również definiowane jako rozłączenie elektryczne. Następnie przeprowadzana jest analiza modalna struktury systemu przy użyciu modalnego kompletnego solwera dostarczonego przez ANSYS.

Analiza stanów nieustalonych ćwierćpiezoelektrycznych rurek ceramicznych

Analizę dynamiki przejściowej przeprowadzono w celu zaobserwowania odpowiedzi dynamicznej rurki ceramicznej poddawanej obciążeniu zmiennemu w czasie. W analizie ANSYS do ćwiartki piezoelektrycznej rury ceramicznej przyłożono napięcie piły w celu uzyskania drgań zginających rury piezoceramicznej. W procesie analizy, ze względu na korelację pomiędzy obciążeniem i czasem, dwoma ważnymi aspektami, które należy uwzględnić, są siła bezwładności i tłumienie. Macierz tłumienia otrzymuje się poprzez stałą tłumienia Raylwigha a, pomnożoną odpowiednio przez macierz masy i macierz sztywności. Elektromechaniczny zespół sprzęgający w modelu skończonych elementów piezoelektrycznych rury ceramicznej jest jednostką nieliniową, co utrudnia rozwiązanie analizy dynamicznej stanów przejściowych. Dlatego do rozwiązywania dynamicznych równań różniczkowych w dyskretnych punktach czasowych stosuje się metodę całkowania po czasie. Przyrost czasu nazywany jest krokiem czasu integracji (ITS), a wielkość kroku wpływa bezpośrednio na dokładność rozwiązania do analizy stanów przejściowych. Rozmiar kroku jest ważnym parametrem w analizie. Im mniejszy krok czasowy, tym większa dokładność. Jednakże zbyt mały krok całkowania czasowego spowoduje marnotrawstwo zasobów obliczeniowych, a nawet może spowodować, że analiza numeryczna nie zostanie ukończona. Jeżeli wielkość kroku jest zbyt duża, spowoduje to błąd obliczeniowy odpowiedzi modalnej wyższego rzędu mechanizmu ćwiartki piezoelektrycznej lampy ceramicznej. Dlatego też, zgodnie z rzeczywistą sytuacją, kształtem fali sterującej zastosowanym w tym eksperymencie jest napięcie fali piłokształtnej, a napięcie to nie powoduje poważnych zniekształceń kształtu fali.

 Jednocześnie, w połączeniu z wynikami analizy modalnej, przy wyborze kroku czasowego całkowania głównym czynnikiem branym pod uwagę jest rozwiązanie częstotliwości odpowiedzi, krok czasowy powinien być wystarczająco mały, aby rozwiązać odpowiedź ruchu konstrukcji. Zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu optymalny krok czasowy wynosi TS≤1/20f (fabrycznie jest to częstotliwość drgań własnych ćwierćpiezoelektrycznej rury ceramicznej, częstotliwość drgań własnych jest uzyskiwana ze specyfikacji parametrów produktu i uzyskuje się TS≤1/(10×2 242). ITS przyjmuje się jako 1,22 S, zatem krok czasu całkowania analizy stanu nieustalonego ćwierćpiezoelektrycznej rury ceramicznej przyjmuje się jako 1 s. Podsumowując, podczas analizy wibratory piezoelektryczne, ze względu na różnorodne czynniki nieliniowe, takie jak duże odkształcenia, nieliniowość materiału i kontakt, do obliczenia przejściowej odpowiedzi dynamicznej wykorzystuje się całą matrycę systemu, to znaczy bez jakiejkolwiek formy uproszczenia matrycy. Zminimalizuje to skutki nieliniowości. Analiza dynamiki przejściowej i rozwiązanie są przeprowadzane na mechanizmie ćwiartki piezoelektrycznej rury ceramicznej. Wyniki analizy są następujące, gdy napięcie zęba piłokształtnego przyłożonego do ćwiartki piezoelektrycznej rurki ceramicznej wynosi 100 Hz a amplituda wynosi 150 V. Uzyskano krzywą przemieszczenia rurki piezoceramicznej w kierunku y w funkcji czasu. Po przyłożeniu sygnału skokowego o amplitudzie napięcia 270 V górny koniec rurki piezoceramicznej przemieszcza się w kierunku y.

ćwiartka Rura piezoelektryczna z materiału Pzt będzie generować naprężenia o różnej amplitudzie pod wpływem napięcia zęba piłokształtnego. Analizowane jest naprężenie, a wynik może dać pewne wskazówki dotyczące instalacji piezoelektrycznej rurki ceramicznej i może przewidzieć położenie, w którym występuje zmęczenie. Pokazuje globalne naprężenie korpusu wibratora podczas analizy stanów przejściowych i pokazuje maksymalne naprężenie lokalne. im ciemniejszy kolor, tym większy stres. Można zauważyć, że górna część rury ceramicznej to strefa koncentracji naprężeń, w której najprawdopodobniej występuje zmęczenie i pękanie, co zapewni teoretyczne wytyczne dotyczące montażu i przykładania obciążeń.