Dynamisk forskning av piezoelektricitetsrör

Piezoelektrisk keramik är en typ av kristallmaterial som genomgår en formförändring såsom kompression eller förlängning när de utsätts för mekanisk påfrestning. När formen ändras genereras olika laddningar på båda sidor av kristallen. Omvänt lägger man till en annan spänning över linjära piezorör kommer att resultera i en motsvarande mekanisk förskjutning eller spänning. Det kvartspiezoelektriska keramiska röret är ett ihåligt cylindriskt keramiskt rör med en ledande beläggning på den inre cylindriska ytan och fyra ledande skikt som är lika i yta men isolerade från varandra. Att applicera en spänning mellan det ledande skiktet på den inre ytan och det ledande skiktet på den yttre ytan kan få det keramiska röret att producera en form av rörelse såsom böjning, förlängning eller en sfärisk krona. För att korrekt använda keramiska rör måste dynamisk analys utföras.

Dynamisk analys av keramiska rör i förlängning

Om man antar att den pålagda spänningen är noll spänning som appliceras på röret, appliceras de fyra elektroderna utanför röret samtidigt med en positiv spänning i samma riktning. Sedan finns det £1:1 S12· + d31·E3 där £ är töjning, och siffrorna 1 till 6 representerar koordinatvektorriktningar, som representerar z, Y, yz, z, xy respektive. Sl2 representerar elasticitetsmodulen, d. Indikerar längden och E är den elektriska fältstyrkan. där b är viskositetskoefficienten; är förskjutningen; J0 är den keramiska densiteten; A är det keramiska rörets tvärsnittsarea; sfi är den piezoelektriska koefficienten.

Rörelseanalysen av det keramiska röret vid böjning analyseras från den statiska analysen av den mänskliga handen, och deformationen analyseras med geometrisk metod. I formeln är l längden på det keramiska röret; M är massan av det keramiska röret per längdenhet.

Simuleringsanalys

Genom ovanstående teoretiska analys, kombinerat med de mekaniska ekvationerna för töjning och böjning av piezoelektrisk cylinderomvandlare , ANSYS programvara användes i den experimentella forskningen. Den modala analysen och transientdynamikanalysen av det keramiska röret utförs i analysen, med hänsyn till ingreppet och faktisk ledning vid fastställandet av den finita elementmodellen. Den fyra cents cylindriska cylindern är byggd och sammanfogad som en helhet för att säkerställa att vidhäftningen mellan de två cylindrarna inte är ledande, utan kraftöverföringen och deformationen överensstämmer med den verkliga situationen.

Finita element mesh uppdelning av kvarts piezoelektriskt keramiskt rör

Det kvartspiezoelektriska keramiska röret är en typisk elektromekanisk kopplingsanordning. Därför, för rutnätsdelningsenheten i det kvartspiezoelektriska keramiska röret, måste den finita elementtypen som stöder den kopplade fältanalysen användas. Kopplad fältanalys stöds i enheterna lins3, solid5 och solid98 i ANSYS programvara, där solid5 kan användas för att analysera piezoelektriska material. Solid5-modellen är en tredimensionell enhet som består av åtta noder som bildar en hexaedrisk struktur med maximalt sex frihetsgrader per nod. Endast tre förskjutningsfrihetsgrader och en spänningsfrihetsgrad används för analys av piezoelektriska material. Det ändliga piezoelementdiagrammet för det piezoelektriska keramiska röret dividerat med solid5 maskin-elektriska kopplingsenheten visas. Dessa inkluderar 2 160 sol-id5 enheter och 6 020 solid95 enheter. Frihetsgraden för solid5 är satt till fyra, vilket är förskjutningarna UX, UZ och en spänningsfrihetsgrad VOLT i X-, y- respektive Z-riktningarna.

Modal analys av kvarts piezoelektriska keramiska rör

Modal analys är grunden för dynamisk transientanalys, som kan bestämma vibrationsegenskaperna hos det kvarts piezoelektriska keramiska röret, nämligen strukturens naturliga frekvens och modform, vilket ger en teoretisk grund för utformningen av drivkretsen. Den modala analysen av ett piezokeramiskt rör definierar först gränsvillkoren med en symmetrisk struktur. Enligt den faktiska situationen i appliceringsprocessen appliceras en nollförskjutningsbegränsning på elektrodens nedre ändyta. Samtidigt definieras de potentiella gränsvillkoren för den piezoelektriska keramen, och de övre och nedre elektroderna hos de intilliggande två piezoelektriska keramiska arken är kopplade av en nod och definieras också som en elektrisk frånkoppling. Den modala analysen av systemstrukturen utförs sedan med den modala kompletta lösaren som tillhandahålls av ANSYS.

Transient analys av kvarts piezoelektriska keramiska rör

Transientdynamikanalysen utfördes för att observera det dynamiska svaret av det keramiska röret när det genomgår någon tidsvarierande belastning. I ANSYS-analysen applicerades sågtandsspänningen på det kvarts piezoelektriska keramiska röret för att erhålla böjningsvibrationen hos det piezokeramiska röret. I analysprocessen, på grund av korrelationen mellan last och tid, är tröghetskraft och dämpning två viktiga aspekter som måste beaktas. Dämpningsmatrisen erhålls av Raylwighs dämpningskonstant a, multiplicerad med massmatris respektive styvhetsmatris. Den elektromekaniska kopplingsenheten i den finita piezoelementmodellen av keramiska rör är en olinjär enhet, vilket medför svårigheter för lösningen av transient dynamisk analys. Därför används tidsintegralmetoden för att lösa de dynamiska differentialekvationerna vid diskreta tidpunkter. Tidsökningen kallas integrationstidssteget (ITS), och storleken på steget påverkar direkt noggrannheten hos den transienta analyslösningen. Stegstorleken är en viktig parameter i analysen. Ju mindre tidssteg desto högre noggrannhet. Men ett för litet tidsintegreringssteg kommer att slösa datorresurser och kan till och med leda till att numerisk analys inte slutförs. Om stegstorleken är för stor, kommer beräkningsfelet för det högre ordningens modala svaret för den kvartspiezoelektriska keramiska rörmekanismen att orsakas. Därför, enligt den faktiska situationen, är den drivande vågformen som används i detta experiment sågtandsvågspänningen, och denna spänning verkar inte vara allvarlig vågformsförvrängning.

 Samtidigt, i kombination med de modala analysresultaten, vid valet av integrationstidssteget, är det viktigaste att lösa svarsfrekvensen, tidssteget bör vara tillräckligt litet för att lösa strukturens rörelsesvar. Enligt samplingssatsen är det optimala tidssteget TS≤1/20f (fabriken är den naturliga frekvensen för det kvartspiezoelektriska keramiska röret, den naturliga frekvensen erhålls från produktparameterspecifikationen och TS≤1/(10×2 242) erhålls. ITS tas som 1,22 S för integreringstiden för den transienta analysen av den piee. keramiskt rör tas som 1 s. Sammanfattningsvis, när man analyserar piezoelektriska vibratorer, på grund av en mängd olinjära faktorer såsom stor deformation, material olinjäritet och kontakt, används den kompletta systemmatrisen för att beräkna den transienta dynamiska responsen, det vill säga utan någon form av förenkling av den dynamiska analysen av den dynamiska analysen på den kvarts piezoelektriska rörmekanismen är analysresultaten som följer När sågtandsspänningen på det kvarts piezoelektriska keramiska röret är 100 Hz och amplituden är 150 V, Kurvan för förskjutningen i y-riktningen av det piezokeramiska röret visades som en funktion av en 2 amp appliceras, förskjuts den övre änden av det piezokeramiska röret i y-riktningen.

Kvartalet Pzt material piezoelektriska rör kommer att generera olika amplitudspänningar under verkan av sågtandspänningen. Spänningen analyseras och resultatet kan ge en viss vägledning till installationen av det piezoelektriska keramiska röret och kan förutsäga läget där utmattning uppstår. Det visar vibratorkroppens globala spänning under transientanalys och visar den maximala lokala spänningen. ju mörkare färg, desto större stress. Det kan ses att toppen av det keramiska röret är dess spänningskoncentrationszon, där utmattning och brott är mest sannolikt, vilket kommer att ge teoretisk vägledning för installation och applicering av laster.