Конечно-элементное исследование эффективности трубчатого пьезоэлектрического вибрационного гироскопа в зависимости от типа поляризации и граничных условий

Конечно-элементное исследование эффективности трубчатого пьезоэлектрического вибрационного гироскопа в зависимости от типа поляризации и граничных условий

Автор: Наседкин А.В., Шпрайзер Е.И.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2016 года.

Бесплатный доступ

В работе проведен анализ динамического поведения вибрационного гироскопа в форме полой пьезокерамической трубки с двумя парами электродов, расположенными крестообразно на ее внешней боковой поверхности. Для случая одного жестко закрепленного торца трубки рассмотрены два варианта поляризации пьезокерамического материала: полная радиальная поляризации и частичная радиальная поляризация только под электродами внешней боковой поверхности. Для полностью поляризованного материала кроме консольного закрепления рассматривались также два других варианта крепления торцов, имитирующих условия шарнирного опирания. Изучался режим установившихся колебаний гироскопа в рамках линейной теории пьезоэлектричества (электроупругости) с учетом механического демпфирования и эффектов вращения в относительной системе координат. Все исследуемые варианты допускают наличие электрически активных мод изгибных колебаний в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которыми можно управлять электрическими потенциалами на двух парах электродов. В таких конфигурациях при работе вблизи соответствующих резонансных частот генерируются первичные изгибные колебания в одной плоскости, а за счет осевого вращения гироскопа возбуждаются вторичные изгибные движения в другой перпендикулярной плоскости, которые и можно эффективно зарегистрировать. При проведении численных расчетов использовались метод конечных элементов, вычислительный комплекс ANSYS и специально разработанные компьютерные программы, написанные на макроязыке APDL ANSYS. Результаты вычислительных экспериментов показали, что вариант с жестко закрепленным торцом и полной радиальной поляризацией пьезокерамического материала дает наибольшие максимумы выходного потенциала при вращении гироскопа. Обнаружено, что варианты гироскопа с закреплениями торцов, имитирующими условия шарнирного опирания, также достаточно перспективны для практического использования.

Еще

Пьезоэлектричество, электроупругость, пьезокерамика, неоднородная поляризация, установившиеся колебания, вибрационный гироскоп, сила кориолиса, частота вращения, метод конечных элементов

Короткий адрес: https://sciup.org/146211646

IDR: 146211646   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.16

Список литературы Конечно-элементное исследование эффективности трубчатого пьезоэлектрического вибрационного гироскопа в зависимости от типа поляризации и граничных условий

  • Apostolyuk V. Coriolis vibratory gyroscopes: Theory and design. -Cham, Switzerland: Springer International Publishing, 2016. -117 p.
  • A review of vibratory gyroscopes/J.S. Burdess, A.J. Harris, J. Cruickshank, D. Wood, G. Cooper//Eng. Sci. Educ. J. -1994. -Vol. 3. -No. 6. -P. 249-254 DOI: 10.1049/esej:19940603
  • Singh A.K. Piezoelectric gyro sensor technology//Def. Sci. J. -2007. -Vol. 57. -No. 1. -P. 95-103 DOI: 10.14429/dsj.57.1735
  • Yang J. A review of analyses related to vibrations of rotating piezoelectric bodies and gyroscopes//IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect. and Freq. Control. -2005. -Vol. 52. -No. 5. -P. 698-706 DOI: 10.1109/TUFFC.2005.1503958
  • Hunt G.H., Hobbs A.E.W. Development of an accurate tuning fork gyroscope//Proc. Inst. Mech. Eng., Conf. Proc. -1964. -Vol. 179. -No. 5. -P. 129-139 DOI: 10.1243/PIME_CONF_1964_179_116_02
  • Fan M., Zhang L. Research progress of quartz tuning fork micromachined gyroscope//Proc. 2015 Int. Conf. Artificial Intelligence and Industrial Engineering, Atlantis Press, 2015. -P. 361-364 DOI: 10.2991/aiie-15.2015.100
  • Quartz rate gyro sensor for automotive control/Y. Nonomura, M. Fujiyoshi, Y. Omura //Sensors and Actuators A. -2004. -Vol. 110. -P. 136-141 DOI: 10.1016/j.sna.2003.10.048
  • Bhadbhade V., Jalili N., Mahmoodi S.N. A novel piezoelectrically actuated flexural/torsional vibrating beam gyroscope//J. Sound and Vibration. -2008. -Vol. 311. -P. 1305-1324 DOI: 10.1016/j.jsv.2007.10.017
  • Seok J., Scarton H.A. Dynamic characteristics of a beam angular-rate sensor//Int. J. Mech. Sci. -2006. -Vol. 48. -P. 11-20 DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2005.09.015
  • Seok J., Tiersten H.F., Scarton H.A. An analysis of a vibratory angular-rate gyroscope using polarized piezoceramic bimorph plates. Part 2: Solution procedure for the gyroscope with superposed angular velocity//J. Sound and Vibration. -2005. -Vol. 280. -P. 289-310 DOI: 10.1016/j.jsv.2003.12.031
  • Effect of polarized electric field on piezoelectric cylinder vibratory gyroscope/Y. Ting, J.-S. Huang, J.-L. Huang, C.-M. Yang//Sensors and Actuators. A. -2006. -Vol. 128. -No. 2. -P. 248-256 DOI: 10.1016/j.sna.2006.02.034
  • Optimization and analysis of novel piezoelectric solid micro-gyroscope with high resistance to shock/Y. Lu, X. Wu, W. Zhang, W. Chen, F. Cui, W. Liu//Microsyst. Technol. -2010. -Vol. 16. -No. 4. -P. 571-584 DOI: 10.1007/s00542-009-0963-6
  • Vibration analysis of a piezoelectric micromachined modal gyroscope (PMMG)/X.S. Wu, W.Y. Chen, Y.P. Lu, Q.J. Xiao, G.Y. Ma, W.P. Zhang, F. Cui//J. Micromech. Microeng. -2009. -Vol. 19. -No. 12. -P. 125008 DOI: 10.1088/0960-1317/19/12/125008
  • Wu X., Chen W., Reza A. Optimal design of piezoelectric micromachined modal gyroscope (PMMG) with modes matched: modal analysis//Microsyst. Technol. -2014. -Vol. 21. -No. 1. -P. 101-108 DOI: 10.1007/s00542-014-2156-1
  • Yang J.S, Fang H.Y., Jiang Q. A vibrating piezoelectric ceramic shell as a rotation sensor//Smart Mater. Struct. -2000. -Vol. 9. -P. 445-451 DOI: 10.1088/0964-1726/9/4/307
  • Kagawa Y., Tsuchiya T., Kawashima T. Finite element simulation of vibrator gyroscopes//IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control. -1996. -Vol. 43. -P. 509-518 DOI: 10.1109/58.503709
  • Kagawa Y., Tsuchiya T., Sakai T. Three-dimensional finite element simulation of a piezoelectric vibrator under gyration//IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control. -2001. -Vol. 48. -P. 180-188 DOI: 10.1109/58.895931
  • Наседкин А.В. Моделирование пьезоэлектрических преобразователей в ANSYS: Учеб. пособие. -Ростов н/Д: Изд-во Юж. федер. ун-та, 2015. -176 с.
  • Nasedkin A.V. Some finite element methods and algorithms for solving acousto-piezoelectric problems//Piezoceramic materials and devices, ed. I.A. Parinov. -N.-Y.: Nova Science Publishers. -2010. -P. 177-218.
  • Yang J.S., Fang H.Y. A new ceramic tube piezoelectric gyroscope//Sensors and Actuators. A. -2003. -Vol. 107. -No. 1. -P. 42-49 DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00209-7
  • Левицкий А.А., Маринушкин П.С. Численное моделирование пьезоэлектрического вибрационного гироскопа//Датчики и системы. -2009. -№ 9. -С. 11-14.
  • Левицкий А.А., Маринушкин П.С. Исследование режимов работы пьезоэлектрического вибрационного гироскопа осцилляторного типа//Датчики и системы. -2011. -№ 3. -С. 55-59.
  • Левицкий А.А., Маринушкин П.С. Анализ погрешностей миниатюрного пьезоэлектрического гироскопа//Успехи современной радиоэлектроники. -2012. -№ 9. -С. 34-38.
  • Marinushkin P.S. Dynamic analysis of tubular piezoelectric gyroscopes//XI International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2010: Conference Proceedings. -Novosibirsk, 2010. -P. 168-171 DOI: 10.1109/EDM.2010.5568838
  • Наседкин А.В., Шпрайзер Е.И. Конечно-элементный анализ пьезокерамического вибрационного гироскопа в форме полого цилиндра при различных условиях закрепления//Инновационные технологии в науке и образовании. ИТНО-2015: сб. науч. тр. междунар. науч.-метод. конф. Ростов-на-Дону -пос. Дивноморское, 7-10 сентября, 2015. -Ростов-на-Дону -Зерноград, 2015. -С. 203-208.
  • Наседкин А.В., Шпрайзер Е.И. Анализ вибрационного гироскопа в форме полого цилиндра из неоднородно поляризованной пьезокерамики//Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. -2015. -Т. 15, № 4. -С. 57-60.
  • Юрлов М.А., Юрлова Н.А. Стратегии демпфирования колебаний конструкций с пьезоэлементами и внешними электрическими цепями и их экспериментальная иллюстрация//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2014. -№ 4. -С. 240-270 DOI: 10.15593/perm.mech/2014.4.10
  • ANSYS. Theory reference for ANSYS and ANSYS Workbench. Rel.11. Ed. P. Kothnke. -Canonsburg, ANSYS Inc., 2007. -1072 p.
  • Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. -М.: Наука, 1977. -400 с.
  • Numerical recipes: The art of scientific computing/W.H. Press, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling, B.P. Flannery. -New York, Cambridge University Press, 2007. -1256 p.
  • Peters G., Wilkinson J.H. The calculation of specified eigenvectors by inverse iteration//Handbook for Automatic Computation. Vol. 2. Linear Algebra, еds. J.H. Wilkinson, C. Reinsch. -New York, Springer-Verlag, 1971. -P. 418-439 DOI: 10.1007/978-3-642-86940-2_29
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp