Электроупругость пьезоволоконного дискового актюатора

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Разработана микроструктурная модель катушечного композитного пьезоволоконного дискового (FibrCD) актюатора, который образован намоткой большого числа витков тонкого электродированного пьезоэлектрического волокна в виде экранированного одножильного кабеля с радиально поляризованным пьезоэлектрическим межэлектродным слоем с последующей пропиткой и континуализацией витков полимерным связующим. Получено точное аналитическое решение для электрического и деформационного полей осесиметричной связанной краевой задачи электроупругости на элементарной составной ячейке «пьезоэлектрический кабель/оболочка связующего». Далее, точное решение для электроупругих полей внутри составной ячейки, нагруженной электрическим напряжением на электродах кабеля, использовано для нахождения точных аналитических решений для тензоров эффективных коэффициентов пьезоэлектрических напряжений и линейного пьезоэлектрического расширения (деформаций) волоконного композита как гомогенного с цилиндрической анизотропией дискового FibrCD-актюатора в рамках известной полидисперсной модели структуры композита. Осуществлен расчет и численный анализ характеристик FibrCD-актюатора при различных значениях его макроскопических и структурных параметров, в частности, толщины диска (кольца), разности внешнего и внутреннего радиусов кольца, относительных размеров радиуса электропроводной жилы и толщины прослойки связующего между соседними витками кабеля. Подтверждена эффективность FibrCD-актюатора в сравнении с характеристиками традиционных актюаторов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Паньков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: a_a_pankov@mail.ru
Россия, Пермь

Список литературы

  1. Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях // Физическая акустика. Т.1: Методы и приборы ультразвуковых исследований. Часть А. М.: Мир, 1966. С. 204–326.
  2. Мэзон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применения в ультраакустике. М.: Изд-во иностр. лит., 1952. 448 с.
  3. Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы. Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2008. 160 с.
  4. Performance-drivencontrol of nano-motionsystems / by Roel J.E. Merry. Eindhoven University of Technology, 2009. 285 p.
  5. Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields // Sensors and Actuators A: Physical. 2019. V. 288. P. 171–176. https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.01.030
  6. Patent US 2003/0056351 A1. Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator and Method for Making Same / Wilkie W.K., et al. Application Publ. March 27, 2003.
  7. Патент RU № 2803015. Пьезоэлектрический MDS-актюатор / Паньков А.А., Опубликовано: 05.09.2023 Бюл. № 25, заявка № 2023109123 от 11.04.2023 г.
  8. Патент RU № 2801619. Пьезоэлектрический CDS-актюатор / Паньков А.А., Опубликовано: 11.08.2023 Бюл. № 23, заявка № 2023111440 от 03.05.2023 г.
  9. Патент RU № 2811420. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора / Паньков А.А., Опубликовано: 11.01.2024 Бюл. № 2, заявка № 2023127236 от 24.10.2023 г.
  10. Патент RU № 2811455. Пьезоэлектрический актюатор / Паньков А.А., Опубликовано: 11.01.2024 Бюл. № 2, заявка № 2023113448 от 24.05.2023 г.
  11. Emad D., Fanni M.A., Mohamed A.M., Yoshida S. Low-computational-cost technique for modeling macro fiber composite piezoelectric actuators using finite element method // Materials (Basel). 2021. V. 14. № 15. P. 4316. https://doi.org/10.3390/ma14154316
  12. Park J.-S., Kim J.-H. Analytical development of single crystal Macro Fiber Composite actuators for active twist rotor blades // Smart Mater. Struct. 2005. V. 14. № 4. P. 745–753. https://doi.org/10.1088/0964-1726/14/4/033
  13. Сертификат RU № 2018666421. Компьютерная программа “MFC PROPERTIES” (MFCP) / Писарев П.В., Аношкин А.Н., Паньков А.А. Опубликовано: 17.12.2018. заявка № 2018663978 от 05.12.2018.
  14. Pan’kov A.A., Anoshkin A.N., Pisarev P.V., Bayandin S.R. Using an electromechanical analogy to describe the damping characteristics of an MFC actuator // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2021. V. 1093. P. 012023. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1093/1/012023
  15. Патент RU № 2811455. Пьезоэлектрический актюатор / Паньков А.А., Опубликовано: 11.01.2024 Бюл. № 2, заявка № 2023113448 от 24.05.2023 г.
  16. Патент RU № 2811499. Пьезоэлектрический актюатор / Паньков А.А., Опубликовано: 12.01.2024 Бюл. № 2, заявка № 2023114457 от 01.06.2023 г.
  17. Pan’kov A.A. Membrane piezoelectric MDS-actuator with a flat double helix of interacting electrodes // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 2. P. 664–678. http://doi.org/10.1134/S0025654423601349
  18. Патент RU № 2793564. Пьезоэлектрический биморф изгибного типа / Паньков А.А. Опубликовано: 04.04.2023 Бюл. № 10, заявка № 2022129727 от 16.11.2022 г.
  19. Патент RU № 2827058. Пьезоэлектрический FibrCD-актюатор / Паньков А.А., Опубликовано: 23.09.2024 Бюл. № 27; заявка № 2024102307 от 30.01.2024 г.
  20. Patent US № 4629925. Piezoelectric coaxial cable / M. Booth, R.J. Penneck, Application Date: 20.11.1984. Publication Date: 16.12.1986. 8 p. https://patents.google.com/patent/US4629925A/en
  21. Patent US № 4609845. Stretched piezoeleci‘ric polymer coaxial cable / P.L. Soni, N.R. Farrar. Application Date: 06.07.1984. Publication Date: 02.09.1986. 7 p. https://insight.rpxcorp.com/patent/US4609845A
  22. Паньков А.А. Пьезокомпозиты и датчики: монография в 3-х частях / Часть 1. Статистическая механика пьезокомпозитов. Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2022. 234 с.
  23. Паньков А.А. Пьезокомпозиты и датчики: монография в 3-х частях / Часть 2. Пироэлектромагнитные эффекты композитов. Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2023. 211 с.
  24. Гринченко В.Т., Улитко А.Ф., Шульга Н.А. Механика связанных полей в элементах конструкций. Киев: Наук. думка, 1989. 279 с.
  25. Ватульян А.О., Кирютенко А.Ю., Наседкин А.В. Плоские волны и фундаментальные решения в линейной термоэлектроупругости // ПМТФ. 1996. Т. 37. № 5. С. 135–142.
  26. Шульга Н.А. Радиальные электромеханические нестационарные колебания полого пьезокерамического цилиндра при электрическом возбуждении // Прикладная механика. 2009. Т. 45. № 2. С. 30–35.
  27. Григоренко А.А., Лоза И.А. О свободных неосесимметричных колебаниях полых пьезокерамических цилиндров конечной длины с радиальной поляризацией // Прикладная механика. 2010. Т. 46. № 11. С. 20–30.
  28. Шляхин Д.А. Нестационарная осесимметричная задача электроупругости для анизотропного пьезокерамического радиально поляризованного цилиндра // Изв. РАН. МТТ. 2009. № 1. С. 73–81.
  29. He T., Tian X., Shen Y. A generalized electromagneto-thermoelastic problem foran infinitely long solid cylinder // Eur. J. Mech.-A-Solid. 2005. V. 24. № 2. P. 349–359. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2004.12.001
  30. Ватульян А.О., Нестеров С.А. Динамическая задача термоэлектроупругостидля функционально-градиентного слоя // Вычислительная механика сплошных сред. 2017. Т. 10. № 2. C. 117–126. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.2.10
  31. Шляхин Д.А., Кальмова М.А. Связанная нестационарная задача термоэлектроупругости для длинного полого цилиндра // Вестн. Самарского государственного технического университета. Сер. Физ.-мат. науки. 2020. Т. 24. № 4. С. 677–691. https://doi.org/10.14498/vsgtu1781
  32. Белоконь А.В., Математическое моделирование необратимых процессов поляризации. М.: , 2010. 328 с.
  33. Nasedkin A.V., Nasedkina A.A., Nassar M.E. Homogenization of porous piezocomposites with extreme properties at pore boundaries by effective moduli method // Mech.Solids. 2020. V. 55. P. 827–836. https://doi.org/10.3103/S0025654420050131
  34. Nasedkin A.V., Nasedkina A.A., Rybyanets A.N. Numerical analysis of effective properties of heterogeneously polarized porous piezoceramic materials with local alloying pore surfaces // Mater. Phys. Mech. 2018. V. 40. № 1. P. 12–21.http://dx.doi.org/10.18720/MPM.4012018_3
  35. Паньков А.А., Писарев П.В. Численное моделирование в ANSYS электроупругих полей в пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике диагностирования объемного деформированного состояния композита // Вестник ПНИПУ. Механика. 2017. № 3. С. 153–166.
  36. Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М.: Изд-во Моск. университета, 1984. 336 c.
  37. Гетман И.П., Мольков В.А. Об эффективных характеристиках пьезоактивных композитов с цилиндрическими включениями // ПММ. 1992. Т. 56. № 3. С. 501–509.
  38. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982. 334 с.
  39. Dong X.-J., Meng G. Dynamic analysis of structures with piezoelectric actuators based on thermal analogy method // Int. J. Adv. Manuf. Tech. 2006. V. 27. P. 841–844. https://doi.org/10.1007/s00170-004-2290-5

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Дисковый (a) и кольцевой (b) пьезоволоконные FibrCD-актюаторы.

Скачать (39KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Поперечное сечение с радиальными направлениями поляризации p (a) пьезоэлектрического волокна (кабеля) с электродами 1,2 и однородным (b) или композитным (c) полимерным пьезоэлектрическим слоем 3.

Скачать (44KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Элементарная составная ячейка (a) полидисперсной модели (b) волокнистой структуры пьезокомпозита.

Скачать (77KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Функции перемещения ur [мкм] (a), электрического потенциала  [В] (b), напряженности [кВ/мм] (c) и индукции [мКл/м2] (d) по радиальной координате r пьезоэлектрического слоя составной ячейки при 10 МПа, Ucon = 0 В.

Скачать (131KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Функции перемещения ur [мкм] (a), радиальной rr и окружной деформаций (b) по радиальной координате r составной ячейки при Ucon = 1500 В.

Скачать (128KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Функции электрического потенциала [кВ] (a), напряженности [кВ/мм] (b) и индукции [Кл/м2] (c) по радиальной координате r пьезоэлектрического слоя при Ucon =1500 В (○), 500 В ; пунктирная линия –линейная аппроксимация (для сравнения).

Скачать (82KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Эффективный коэффициент [мкВ1] пьезоэлектрического расширения композита при a0= 0.1 (○), 0.05, 0.01 [мм].

Скачать (59KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Эффективные коэффициенты 1′* (a), 3′* (b) [МПа/В] пьезоэлектрических напряжений композита при a0= 0.1 (○), 0.05 , 0.01 [мм].

Скачать (122KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024