Исследование методик определения констант поляризованной пьезокерамики (часть II)
Автор: Мадорский Виктор Вениаминович
Журнал: Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don) @vestnik-donstu
Рубрика: Механика
Статья в выпуске: 4 (91) т.17, 2017 года.
Бесплатный доступ
Введение. Статья посвящена определению полного набора всех десяти электроупругих модулей поляризованной керамики, который необходим для анализа работы пьезокерамических чувствительных элементов различных приборов при численном решении краевых задач методом конечных элементов. Целью данной работы является создание нового метода определения констант пьезокерамических материалов, основанного на измерении частот резонансов и первых низкочастотных антирезонансных частот только на одном образце в виде кольца. Материалы и методы. Предложен новый метод определения полного набора упругих, пьезоэлектрических, диэлектрических модулей поляризованной пьезокерамики. При этом используется только один образец. Метод определения констант керамики основан на измерении резонансных частот и первого низкочастотного антирезонанса для элемента в виде кольца с осевой поляризацией. Первые семь констант, кроме сдвиговых, измеряют для кольца с электродами на торцах. Сдвиговые модули измеряют на том же кольце, но с новыми электродами на боковых цилиндрических поверхностях. Старые электроды на торцах удаляются. Для проверки корректности методики используется программа ANSYS, реализующая метод конечных элементов. Результаты исследования. Для пьезокерамики PZT 4 приведен полный набор констант, определенных новым методом - с использованием только одного образца. Погрешность определения констант, как правило, не превышает 1 Обсуждение и заключения. В работе приведены результаты исследований нового обоснованного численного метода и алгоритма определения полного набора совместимых материальных констант пьезокерамики на одном образце в виде кольца с различными электродами. Главное достоинство данного метода - для определения полного набора модулей пьезокерамики используется только один образец. В других методах измеренные модули пьезокерамики не являются совместимыми в силу того, что частоты резонансов и антирезонансов измеряются на трех различных по геометрии и степени поляризации образцах.
Пьезоэлектрическая керамика, определение полного набора констант, метод резонанса, антирезонанса, кольцо, метод конечных элементов, программа ansys, метод возмущений
Короткий адрес: https://sciup.org/142211887
IDR: 142211887 | УДК: 621.38:519.8 | DOI: 10.23947/1992-5980-2017-17-4-14-21
Study on polarized piezoceramics constant techniques definition (part 2)
Introduction. The complete set of all ten electro-elastic moduli of the polarized ceramics essential for the analysis of piezoceramic sensing elements of various devices under the numerical solution to boundary value problems by the finite element method is considered. The work objective is to develop a new technique for determining constants of piezoelectric materials based on measuring the resonance frequencies and the first low-cycle antiresonance frequencies on one ring-like sample only. Materials and Methods. A new method of determining the full set of elastic, piezoelectric, and dielectric moduli of the polarized piezoelectric ceramics is proposed. Therewith, one sample only is used. This method is based on measuring the resonance frequencies and the first underfrequency antiresonance for an element in the form of an axial polarization ring. The first seven constants, apart from shear ones, are measured for the ring with electrodes on the ends. Shear moduli are measured on the same ring but with new electrodes on the lateral cylindrical surfaces. Old electrodes on the ends are removed. The ANSYS program implementing the finite element technique is used to validate the methodology. Research Results. For PZT4 piezoelectric ceramics, the complete set of constants defined by a new method - using only one sample - is given. The accuracy of determining the constants, as a rule, does not exceed 1%. Discussion and Conclusions. The paper presents the research results of a new valid numerical method and algorithm for determining the full set of compatible material constants of the piezoelectric ceramics on a single ring-like sample with different electrodes. The primary advantage of this method is that only one sample is used to determine the complete set of piezoceramic moduli, whereas in other methods, the measured piezoelectric moduli are not compatible since the frequencies of the resonances and antiresonances are measured at three samples different in geometry and degree of polarization.
Список литературы Исследование методик определения констант поляризованной пьезокерамики (часть II)
- Материалы пьезокерамические. Технические условия. ОСТ 11.0444-87/Центральный государственный фонд стандартов и технических условий. -Москва: Электростандарт, 1987. -141 с.
- IRE standards on piezoelectric crystals, measurements of piezoelectric ceramics/IRE. -Proceedings of the IRE. -1961. -Vol. 49, is. 7. -P. 1162.
- Мадорский, В. В. Исследование методик определения констант поляризованной пьезокерамики/В. В. Мадорский, В. Н. Митько//Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2014. -Т. 14, № 2 (77). -С. 36-45.
- Definition of constants for piezoceramic materials/V. A. Akopyan . -New York: Nova Science Publisher, 2010. -205 p.
- Tickoo, S. ANSYS Workbench 14.0. A Tutorial Approach/S. Tickoo. -Schererville: CADCIM Technologies, 2012.-416 p.
- Tiersten, H.-F. Linear piezoelectric plate vibration/H.-F.-Tiersten. -New York: Plenum press, 1969. -211 p.
- Мадорский, В. В. Симметричные колебания пьезоэлектрических пластин/В. В. Мадорский, Ю. А. Устинов//Изв. АН Арм. ССР. -1976. -Т. 29, № 5. -С. 51-58.
- Analysis of 1-3 piezocomposite and homogeneous piezoelectric rings for power ultrasonic transducers/M.A.B. Andrade //Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences. -2009. -Vol. 31, № 4. -P. 312-318.
- Митько, В. Н. Математическое моделирование физических процессов в пьезоэлектрическом приборостроении/В. Н. Митько, Ю. А. Крамаров, А. А. Панич. -Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2009. -240 с.
- Shaw, E. A. G. On the resonant vibrations of thick barium titanate disks/E. A. G. Shaw//Journal of the Acoustical Society of America. -1956. -Vol. 20, № 1. -P. 38-50.
- Шарапов, В. М. Пьезоэлектрические датчики/В. М. Шарапов, М. И. Мусиенко, Е. В. Шарапова. -Москва: Техносфера, 2006. -632 с.
- Мадорский, В. В. Построение системы однородных решений и анализ корней дисперсионного уравнения антисимметричных колебаний пьезоэлектрической плиты/В. В. Мадорский, Ю. А. Устинов//Прикладная механика и техническая физика. -1976. -№ 6. -С. 138-145.
- Васильев, А. Н. МATLAB. Практический подход/А. Н. Васильев. -Москва: Наука и техника, 2015. -448 с.
