Cercetarea dinamicii tubului piezoelectricitate

Ceramica piezoelectrică este un tip de material cristalin care suferă o schimbare de formă, cum ar fi compresia sau alungirea, atunci când este supus unei solicitări mecanice. Pe măsură ce forma se schimbă, sunt generate diferite sarcini pe ambele părți ale cristalului. Dimpotrivă, adăugând o tensiune diferită pe tuburile piezo liniare vor avea ca rezultat o deplasare mecanică sau o solicitare corespunzătoare. Tubul ceramic sfert piezoelectric este un tub ceramic cilindric gol cu ​​un strat conductiv pe suprafața cilindrica interioară și patru straturi conductoare care sunt egale ca suprafață, dar izolate unul de celălalt. Aplicarea unei tensiuni între stratul conductor al suprafeței interioare și stratul conductor al suprafeței exterioare poate determina tubul ceramic să producă o formă de mișcare, cum ar fi îndoirea, alungirea sau o coroană sferică. Pentru utilizarea corectă a tuburilor ceramice trebuie efectuată o analiză dinamică.

Analiza dinamică a tuburilor ceramice în alungire

Presupunând că tensiunea aplicată este tensiune zero aplicată tubului, cei patru electrozi din afara tubului sunt aplicați simultan cu o tensiune pozitivă în aceeași direcție. Apoi există £1:1 S12· + d31·E3 unde £ este deformarea, iar numerele de la 1 la 6 reprezintă direcțiile vectoriale de coordonate, care reprezintă z, Y, yz, z, xy, respectiv. Sl2 reprezintă modulul de elasticitate, d. Indică lungimea și E este puterea câmpului electric. unde b este coeficientul de vâscozitate; este deplasarea; J0 este densitatea ceramicii; A este aria secțiunii transversale a tubului ceramic; sfi este coeficientul piezoelectric.

Analiza mișcării tubului ceramic la îndoire este analizată din analiza statică a mâinii umane, iar deformarea este analizată prin metoda geometrică. În formulă, l este lungimea tubului ceramic; M este masa tubului ceramic pe unitate de lungime.

Analiza de simulare

Prin analiza teoretică de mai sus, combinată cu ecuațiile mecanice de alungire și îndoire a Traductor cilindru piezoelectric , software-ul ANSYS a fost folosit în cercetarea experimentală. Analiza modală și analiza dinamică tranzitorie a tubului ceramic sunt efectuate în analiză, ținând cont de ochiurile de plasă și de conducere efectivă la stabilirea modelului cu elemente finite. Cilindrul cilindric de patru cenți este construit și lipit împreună pentru a se asigura că aderența dintre cei doi cilindri nu este conductivă, dar transmiterea forței și deformarea se conformează situației reale.

Diviziune cu ochiuri cu elemente finite a unui sfert de tub ceramic piezoelectric

Tubul ceramic sfert piezoelectric este un dispozitiv de cuplare electromecanic tipic. Prin urmare, pentru unitatea de diviziune în grilă a tubului ceramic sfert piezoelectric, trebuie utilizat tipul de element finit care susține analiza câmpului cuplat. Analiza câmpului cuplat este acceptată în unitățile lens3, solid5 și solid98 ale software-ului ANSYS, unde solid5 poate fi utilizat pentru analiza materialelor piezoelectrice. Modelul solid5 este o unitate tridimensională formată din opt noduri care formează o structură hexaedrică cu maximum șase grade de libertate per nod. Doar trei grade de libertate de deplasare și un grad de libertate de tensiune sunt utilizate pentru analiza materialelor piezoelectrice. Este prezentată diagrama cu elemente piezo-finite a tubului ceramic piezoelectric împărțit la unitatea de cuplare mașină-electrică solid5. Acestea includ 2.160 de unități sol-id5 și 6.020 de unități solide95. Gradul de libertate al solidului5 este setat la patru, care sunt deplasările UX, UZ și un grad de libertate de tensiune VOLT în direcțiile X, y și, respectiv, Z.

Analiza modală a tuburilor ceramice piezoelectrice sfert

Analiza modală este baza analizei dinamice tranzitorii, care poate determina caracteristicile de vibrație ale tubului ceramic piezoelectric sfert, și anume frecvența naturală și forma modului a structurii, oferind o bază teoretică pentru proiectarea circuitului de antrenare. Analiza modală a unui tub piezoceramic definește mai întâi condițiile la limită cu o structură simetrică. În conformitate cu situația actuală în procesul de aplicare, se aplică o constrângere de deplasare zero pe suprafața de capăt inferioară a electrodului. În același timp, condițiile de limită potențiale ale ceramicii piezoelectrice sunt definite, iar electrozii superior și inferior ai celor două foi ceramice piezoelectrice adiacente sunt cuplati printr-un nod și sunt, de asemenea, definiți ca o deconectare electrică. Analiza modală a structurii sistemului este apoi efectuată folosind solutorul complet modal furnizat de ANSYS.

Analiza tranzitorie a tuburilor ceramice piezoelectrice sfert

Analiza dinamicii tranzitorii a fost efectuată pentru a observa răspunsul dinamic al tubului ceramic pe măsură ce suferă orice sarcină care variază în timp. În analiza ANSYS, tensiunea dinți de ferăstrău a fost aplicată tubului ceramic piezoelectric sfert pentru a obține vibrația de îndoire a tubului ceramic piezoelectric. În procesul de analiză, datorită corelației dintre sarcină și timp, forța de inerție și amortizarea sunt două aspecte importante care trebuie luate în considerare. Matricea de amortizare este obținută prin constanta de amortizare Raylwigh a, înmulțită cu matricea de masă și, respectiv, matricea de rigiditate. Unitatea de cuplare electromecanică din modelul piezo-element finit al tubului ceramic este o unitate neliniară, ceea ce aduce dificultăți în soluționarea analizei dinamice tranzitorii. Prin urmare, metoda integrală în timp este utilizată pentru a rezolva ecuațiile diferențiale dinamice în momente discrete de timp. Incrementul de timp este numit pasul de timp de integrare (ITS), iar dimensiunea pasului afectează direct acuratețea soluției de analiză tranzitorie. Dimensiunea pasului este un parametru important în analiză. Cu cât pasul de timp este mai mic, cu atât este mai mare precizia. Cu toate acestea, un pas prea mic de integrare în timp va risipi resursele de calcul și poate duce chiar la nefinalizarea analizei numerice. Dacă dimensiunea pasului este prea mare, va fi cauzată eroarea de calcul a răspunsului modal de ordin superior al mecanismului tubului ceramic piezoelectric sfert. Prin urmare, în conformitate cu situația actuală, forma de undă de conducere utilizată în acest experiment este tensiunea de undă din dinte de ferăstrău, iar această tensiune nu pare o distorsiune gravă a formei de undă.

 În același timp, combinat cu rezultatele analizei modale, în selectarea pasului de timp de integrare, principalul aspect este rezolvarea frecvenței de răspuns, pasul de timp ar trebui să fie suficient de mic pentru a rezolva răspunsul la mișcare al structurii. Conform teoremei de eșantionare, pasul de timp optim este TS≤1/20f (fabrica este frecvența naturală a tubului ceramic sfert piezoelectric, frecvența naturală este obținută din specificația parametrului produsului și se obține TS≤1/(10×2 242). ITS este luat ca 1,22 S, deci timpul de analiză tranzitorie a tubului piezoelectric este luat ca pas de analiză tranzitorie a sfertului ceramicii s. În rezumat, atunci când se analizează vibratorii piezoelectrici, datorită unei varietăți de factori neliniari, cum ar fi deformarea mare, neliniaritatea materialului și contactul, matricea completă a sistemului este utilizată pentru a calcula răspunsul dinamic tranzitoriu, adică fără nicio formă de simplificare a matricei Tensiunea dinți de ferăstrău aplicată tubului ceramic piezoelectric sfert este de 100 Hz și amplitudinea este de 150 V. Curba deplasării în direcția y a tubului piezoceramic prezentată în funcție de timp a fost obținută Când se aplică un semnal de pas cu o amplitudine a tensiunii de 270 V, capătul superior al tubului piezoceramic este în direcția y.

Sfertul Tubul piezoelectric din material Pzt va genera tensiuni de amplitudine diferite sub acțiunea tensiunii dinților de ferăstrău. Tensiunea este analizată, iar rezultatul poate oferi o anumită îndrumare pentru instalarea tubului ceramic piezoelectric și poate prezice poziția în care apare oboseala. arată solicitarea globală a corpului vibratorului în timpul analizei tranzitorii și arată solicitarea locală maximă. cu cât culoarea este mai închisă, cu atât este mai mare stresul. Se poate observa că partea superioară a tubului ceramic este zona sa de concentrare a tensiunilor, unde este cel mai probabil să apară oboseala și fractura, ceea ce va oferi îndrumări teoretice pentru instalarea și aplicarea sarcinilor.