Исследование параметров осесимметричного изгибного пьезоэлектрического преобразователя при различных граничных условиях
Изучение конструкции круглой пластины при защемленном и опертом положении. Оптимизация конструкции изгибного пьезоэлектрического преобразователя в зависимости от различных точек крепления, при защемленном и опертом положении. Улучшение параметров.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.05.2017 |
| Размер файла | 297,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Исследование параметров осесимметричного изгибного пьезоэлектрического преобразователя при различных граничных условиях
А.В. Мартыненко
В настоящее время, с точки зрения теории, широко изучена конструкция круглой пластины при защемленном и опертом положении [1]. Однако такие теоретические исследования, в полной мере, проведены только для одной точки крепления, что на практике не всегда возможно. Следовательно, необходим более широкий круг исследований такой конструкции в зависимости от точки ее крепления.
Целью настоящей работы является оптимизация конструкции изгибного пьезоэлектрического преобразователя в зависимости от различных точек крепления, при защемленном и опертом положении. Оптимизируются следующие параметры преобразователя: емкость, частоты резонанса и антирезонанса, эффективный коэффициент электромеханической связи, чувствительность к акустическому и вибрационному воздействию, виброэквивалент. Цель достигается за счет анализа конструкции с помощью численных методов теории упругости как единого пространственного электро-упругого тела. Для моделирования осесимметричного изгибного пьезоэлектрического преобразователя используется метод конечных элементов (МКЭ). Достаточно полное и последовательное изложение МКЭ представлено в [2], а сам метод наиболее успешно реализован в программном пакете конечно-элементного моделирования ANSYS.
Рассмотрим конструкцию исследуемого преобразователя (Рис. 1 а). Преобразователь представляет собой двухслойную круглую пластину с параллельным включением электродов. В качестве материала выступает керамика ЦТС-83Г, параметры данного материала представлены в [3]. Электроды покрывают все горизонтальные поверхности преобразователя, в соответствии с рис. 1 а. пьезоэлектрический защемленный пластина
Рис. 1. Меридиональное сечение пьезоэлектрического изгибного преобразователя.
Керамика поляризована по продольной оси преобразователя, об этом говорит направление вектора остаточной поляризованности P0 (Рис. 1 а). В математической модели используется конечный элемент PLANE223, который имеет следующий набор степеней свободы: узловые смещения, температура и электрический потенциал.
Граничные условия формулируются в следующем виде:
Механические граничные условия:
1. Высота Н = 2 мм, На = 1 мм, радиус R = 15 мм - const (объем фиксирован);
2. Значение Rоп зависит от положения точек крепления 1, 2, 3 (рис. 1 а, б, в).
3. Преобразователь защемлен по контуру (рис. 1 б), в точках 1 и 2 оx = о y= 0 (степени свободы точек 1 и 2 по оси OXY ограничены);
4. Преобразователь оперт по контуру (рис. 1 в), в точке 3 оy = 0, оx ? 0 (степени свободы точки 3 ограничены в отношении оси OY, по оси OX точка 3 совершает перемещения);
5. В области Rоп на преобразователь действует давление P (рис. 1 а, б, в).
6. В точки крепления 1, 2, 3 действует виброускорение a (рис. 1 б, в).
Электрические граничные условия:
1. Условие короткого замыкания (частота резонанса, чувствительность по заряду);
2. Условие холостого хода (частота антирезонанса, чувствительность по напряжению).
В ходе исследования рассматривались зависимости параметров преобразователя: емкость, частоты резонанса и антирезонанса, чувствительность к акустическому давлению и вибрации, виброэквивалент, при изменении положения точек фиксации 1, 2, 3 (см. рис. 1 б, в), в условии защемленного и опертого контура преобразователя.
Результаты, представленные на рис. 2 показывают, что вид крепления влияет на характеристики преобразователя, в особенности радикально меняется зависимость эффективного коэффициента электромеханической связи от соотношения Rоп/R (рис. 2 в), который вычислялся с помощью частот резонанса и антирезонанса.
Рис.2. Графики зависимости параметров преобразователя от Rоп/R:
а) частота резонанса; б) частота антирезонанса; в) эффективный коэффициент электромеханической связи; г) емкость.
Значительное изменение эффективного коэффициента электромеханической связи вызвано разным распределением механических напряжений, что вызвано видом крепления преобразователя. Величина Rоп/R менялась в интервале от 0 до 1. В случае защемленного преобразователя максимальные напряжения будут концентрироваться в точках крепления 1 и 2 (рис. 1 б), а при опертом по контуру преобразователе, максимальные механические напряжения будут распределяться вдоль всего радиуса R преобразователя (рис. 1 в). Эффективный коэффициент электромеханической связи нормирован по величине планарного коэффициента связи Kp. Более подробные сведения о данном коэффициенте представлены в [4].
Частоты резонанса и антирезонанса (рис.2 а, б) имеют максимальное значение в точке, когда отношение Rоп/R составляет 0,67. Вследствие такого отношения Rоп/R достигается оптимальное значение частоты резонанса Fp и антирезонанса Fa (рис. 2 а, б), при которых нормированный эффективный коэффициент электромеханической связи принимает более высокое значение в случае опертого преобразователя, чем при защемлении по контуру.
Результаты полученных частот резонанса fp проверены на основе классической теории, для опертого преобразователя (1) и защемленного (2):
где a - радиус; с - плотность; щi - круговая собственная частота, при i узловой окружности, D - изгибная жесткость, t - толщина. Более подробно о расчете собственных частот для различных видов креплений представлено в [1]. Полученные теоретические значения для частот резонанса fp представленные в виде крестиков на рис. 2 а. Расхождение практических и теоретических, составило не более 2%, что является допустимым результатом. Поскольку достигнута достаточная сходимость практических и теоретических результатов для частот резонанса fp, следовательно, можно говорить о достаточной сходимости всех расчетов.
Емкость преобразователя, при каждом из крепления рассчитывалась на частоте 100 Гц (рис 2 г). Поскольку емкость С в случае опертого и защемленного положения преобразователя является практически постоянной величиной, следовательно, нет и оптимального значения для данного параметра.
Одними из основных характеристик пьезоэлектрического преобразователя является его чувствительность к информационному параметру. В качестве информационного параметра принято акустическое давление и вибрация. Влияние конкретного вида крепления преобразователя на чувствительность приведены на рис. 3. Чувствительность по заряду и по напряжению, при акустическом и вибрационном воздействии рассчитывалась на частоте 100 Гц.
Рис. 3. Графики зависимости параметров преобразователя от Rоп/R:
Чувствительность по заряду (а, в) - по напряжению (б, г).
Из рис. 3 видно, что конкретный вид крепления по-разному влияет на чувствительность в целом. Более эффективно вид крепления влияет на акустическую чувствительность. Такой эффект достигается из-за самого вида крепления, поскольку при опертом преобразователе одна точка крепления, а при защемленном точек крепления две (рис. 1 б, в). Оптимальным значением акустической чувствительности является результат при опертом положении преобразователя. Оптимум для вибрационной чувствительности достигается в минимальном значении в точке 0,756 (рис. 3 б, в).
Исследуемые способы крепления изгибного пьезоэлектрического преобразователя влияют на виброэквивалент преобразователя. Под данным термином принято понимать отношение чувствительностей. В исследовании использовалась следующая формула для определения виброэквивалента:
где Kpq - акустическая чувствительность по заряду; Kaq - вибрационная чувствительность по заряду.
Зависимость виброэквивалента от соотношения Rоп/R для двух видов крепления представлена на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость виброэквивалента от Rоп/R .
Как видно из представленного рисунка, виброэквивалент принимает наименьшее значение при соотношении Rоп/R = 0,756. Данный результат оптимален, поскольку при закреплении изгибного пьезоэлектрического преобразователя в данной точке, вибрационная чувствительность конструкции сводится к минимальному значению, как в случае опертого преобразователя (рис. 4).
Таким образом, кратко результаты настоящей работы могут быть сформированы следующим образом:
1. С использованием метода конечных элементов исследована математическая модель изгибного пьезоэлектрического преобразователя, которая хорошо согласуется с классической теорией.
2. В рамках математической модели получены зависимости емкости, частот резонанса и антирезонанса, эффективного коэффициента электромеханической связи, чувствительности, виброэквивалента изгибного пьезоэлектрического преобразователя для широкого круга значений величины Rоп/R.
3. Оптимальное значение параметров преобразователя достигается при различных граничных условиях.
Библиографический список
1. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. - 272с.
2. Наседкин А.В. Конечно-элементное моделирование преобразователей в ANSYS. Ростов-на-Дону, 2008. - 90с.
3. ОСТ 11 0444-87. Пьезокерамические материалы. Технические условия
4. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. Ростов-на-Дону: Изд-во ООО "ЦВВР", 2006. - 115с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Характеристика пьезоэлектрического эффекта. Изучение кристаллической структуры эффекта: модельное рассмотрение, деформации кристаллов. Физический механизм обратного пьезоэлектрического эффекта. Свойства пьезоэлектрических кристаллов. Применение эффекта.
курсовая работа [718,8 K], добавлен 09.12.2010Схема преобразователя частоты и выбор элементов его защиты. Расчёт параметров выпрямителя, его силовой части и параметров силового трансформатора. Анализ функционирования систем управления управляемым выпрямителем и автономным инвертором напряжения.
курсовая работа [1015,1 K], добавлен 29.06.2011Понятие и функциональные особенности тиристорного преобразователя, принцип его работы, внутреннее строение и взаимосвязь элементов. Работа импульсно-фазового управления. Построение диаграммы напряжений на различных тиристорах, их сравнительное описание.
контрольная работа [567,6 K], добавлен 27.04.2015Основные типы, устройство, принцип действия датчиков, применяемых для измерения давления. Их достоинства и недостатки. Разработка пьезоэлектрического преобразователя. Элементы его структурной схемы. Расчет функций преобразования, чувствительности прибора.
курсовая работа [782,1 K], добавлен 16.12.2012Преобразование переменного тока в постоянный. Способы регулирования напряжения выпрямителей. Блочная схема тиристорного преобразователя серии "КЕМТОР". Определение параметров согласующего трансформатора. Расчет внешних характеристик преобразователя.
курсовая работа [709,2 K], добавлен 12.03.2013Исследование классификации, структуры и вольтамперной характеристики тиристора, полупроводникового прибора, выполненного на основе монокристалла полупроводника. Изучение принципа работы, таблеточной и штыревой конструкции корпусов тиристорных устройств.
курсовая работа [790,5 K], добавлен 15.12.2011Выбор тиристорного преобразователя, трансформатора. Расчёт силового модуля, индуктивности, выбор сглаживающего дросселя. Защита тиристорного преобразователя. Сравнительная характеристика разработанного тиристорного преобразователя и промышленного аналога.
курсовая работа [454,6 K], добавлен 04.03.2012Расчет параметров и выбор элементов тиристорного преобразователя: реактора, силовых тиристоров и сглаживающего дросселя. Проверка обеспечения области существования электромеханических характеристик электропривода. Регулировочные свойства преобразователя.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 14.11.2014Расчет трансформатора, входного фильтра и параметров сглаживающего фильтра. Выбор транзистора по максимальному (амплитудному) значению тока. Определение площади радиатора транзистора. Проверка преобразователя на устойчивость к возмущающим воздействиям.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 09.06.2015Расчет и выбор силового трансформатора для питания тиристорного преобразователя, внешние и скоростные характеристики в режиме прерывистого и непрерывного токов и различных режимов работы. Построение временных диаграмм напряжений и токов в нагрузке.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 29.10.2012Данные двигателя постоянного тока независимого возбуждения со стабилизирующей обмоткой быстроходного исполнения. Расчет параметров электропривода. Коэффициент усиление тиристорного преобразователя. Структурная схема системы подчиненного управления.
контрольная работа [188,9 K], добавлен 09.04.2009Расчет параметров рабочего тела в цикле с подводом теплоты при постоянном объеме. Анализ результатов для процесса сжатия. Значения температуры рабочего тела в отдельно взятых точках термодинамического цикла. Температура в произвольном положении поршня.
контрольная работа [36,2 K], добавлен 23.11.2013Начальные параметры ударной волны, образующейся движением пластины. Параметры воздуха на фронте ударной волны в момент подхода волны к преграде. Расчет параметров продуктов детонации в начальный момент отражения от жесткой стенки и металлической пластины.
курсовая работа [434,5 K], добавлен 20.09.2011Определение параметров Т-образной схемы замещения трансформатора. Составление полных векторных диаграмм преобразователя для активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузок. Расчет изменения вторичного напряжения аналитическим и графическим методами.
задача [229,0 K], добавлен 04.12.2010Установление методами численного моделирования зависимости температуры в точке контакта от угла метания пластины при сварке взрывом. Получение мелкозернистой структуры и расчет параметров пластины с применением программного расчетного комплекса AUTODYN.
дипломная работа [6,2 M], добавлен 17.03.2014Физические основы ультразвука — упругих колебаний, частота которых превышает 20 КГц , распространяющихся в форме продольных волн в различных средах. Явление обратного пьезоэлектрического эффекта. Медицинские области применения ультразвуковых исследований.
контрольная работа [88,0 K], добавлен 06.01.2015Расчёт и выбор элементной базы силовой схемы вентильного преобразователя. Построение регулировочных и внешних характеристик вентильного преобразователя. Разработка электрической схемы для управления силовыми полупроводниковыми ключами преобразователя.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 12.07.2012Этапы расчета полупроводникового преобразователя электрической энергии. Знакомство с недостатками широтно-импульсного преобразователя: высокие требования к динамическим параметрам вентилей, широкополосный спектр преобразованных напряжений и токов.
дипломная работа [842,5 K], добавлен 02.05.2013Описание геометрии и фиксированных параметров крыла, параметров, изменяемых при оптимизации. Модельная задача оптимизации формы крыла в условиях стохастической неопределенности параметров набегающего потока. Анализ аэродинамических характеристик крыла.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 09.07.2014Расчет силовых элементов следящей системы. Выбор электродвигателя, преобразователя, трансформатора и дросселя. Вычисление коэффициентов передач и постоянные времени для двигателя и преобразователя. Принципиальная схема регулятора контура положения.
курсовая работа [617,6 K], добавлен 16.07.2013