ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2023. №6
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.6.2
УДК: 53.083.2; 53.082.73; 534.13
ЭФФЕКТ УВЕЛИЧЕНИЯ ПЬЕЗОМОДУЛЕЙ НАЧАЛЬНО СЖАТОГО ГИБКОГО БИМОРФА
А.А. Паньков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
614990, г. Пермь, Комсомольский пр-кт, д. 29
Статья поступила в редакцию 20 марта 2023 г.
Аннотация. Объект исследования ‑ гибкие пьезоэлектрические биморфы стержневого и мембранного типов, состоящие из двух или более однородных пьезоэлектрических слоев (пленок) равной толщины с одинаковой или противонаправленной поляризацией, межслойных и наружных электродов – электродированных покрытий. Рассмотрено решение актуальной задачи – повышение рабочих характеристик гибких пьезоэлектрических биморфов для более эффективного их использования в качестве генераторов электрической энергии, датчиков и актюаторов – преобразователей управляющих электрических сигналов в перемещение рабочих поверхностей для манипулирования или сборки микромасштабных объектов. Исследованы закономерности влияния величины начальной продольной нагрузки, приложенной к торцам биморфного стержня или равномерно распределенной по внешнему круговому контуру (периметру) биморфной круглой мембраны, на результирующие значения рабочих характеристик для гибких пьезоэлектрических биморфов стержневого и мембранного типов соответственно. Считаем, что величина продольной силы, приложенной к подвижному торцу стержневого биморфа или к внешнему периметру мембраны, не изменяется во времени и не превышает соответствующее значение силы потери устойчивости с учетом консольного или шарнирного закрепления биморфа. Поэтому, имеем переменные разнонаправленные направления изгиба биморфа при приложении к электродам переменного управляющего электрического напряжения, т. е. при смене знака управляющего электрического напряжения направление изгиба (блокирующей силы) также меняется на противоположное и после «выключения» управляющего электрического напряжения биморф возвращается из изогнутого в первоначальное прямолинейное состояние. Получены аналитические решения для деформационных полей: прогибов и углов поворота рабочих поперечных сечений гибких пьезоэлектрических биморфов с использованием известной «гипотезы плоских сечений» и метода интегралов Мора сопротивления материалов. Выявлен и изучен эффект увеличения результирующих прогибов и блокирующих сил гибких пьезоэлектрических биморфов, обусловленный действием начальной сжимающей нагрузки. Результаты численного моделирования получены для гибкого стержневого биморфа из слоев пьезокерамики ЦТС, эффективные деформационные характеристики которого были определены из решения обратной задачи по результатам работ других авторов. Рассмотрены случаи консольного и шарнирного закреплений торцов стержневого биморфа. Установлено, что величина блокирующего усилия для биморфа в виде шарнирной балки значительно превосходит таковую для биморфа в виде консоли, при этом действие продольной сжимающей силы линейно увеличивает величину прогиба и блокирующего усилия биморфа.
Ключевые слова: пьезоэффект, гибкий биморф, управляемый изгиб, стержень, мембрана, начальное сжатие, численное моделирование.
Финансирование: Результаты получены при выполнении государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2023-0006).
Автор для переписки: Паньков Андрей Анатольевич, a_a_pankov@mail.ru
Литература
1. Tzou H.S. Piezoelectric shells (Distributed sensing and control of continua). Kluwer Academic Publishers. 1993. 320 p
2. Rubio W.M., Vatanabe S.L., Paulino G.H., Silva E.C.N. Functionally graded piezoelectric material systems - a multiphysics perspective. In book Advanced computational materials modeling: from classical to multi-scale techniques. Edited by Miguel Vaz J´unior, Eduardo A. de Souza Neto, Pablo A. Munoz-Rojas. Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2011. 414 p. P.301-339. http://dx.doi.org/10.1002/9783527632312
3. Ebrahimi F. Piezoelectric materials and devices - practice and applications. 2013. 176 p. http://dx.doi.org/10.5772/45936
4. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. Москва, Техносфера. 2006. 224 с.
5. 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. Москва, Мир. 1966. С.204-326.
6. Kolpakov A.G. Effect of influation of initial stresses on the homogenized characteristics of composite. Mechanics of materials. 2005. V.37. №8. P.840-854. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2004.08.002
7. Каралюнас Р.И. Эффективные термопьезоэлектрические свойства слоистых композитов. Механика композитных материалов. 1990. №5. С.823-830.
8. Гетман И.П. О магнитоэлектрическом эффекте в пьезокомпозитах. ДАН СССР. 1991. Т.317. №2. С.1246-1259.
9. Коган Л.З., Мольков В.А. Магнитоэлектрические свойства волокнистых пьезокомпозитов. Изв. РАН. Механика твердого тела. 1996. №5. С.62-68.
10. Gorbachev V.I. Integral formulas in electromagnetic elasticity of heterogeneous bodies. application in the mechanics of composite materials. Composites: Mechanics, Computations, Applications. An International J. 2017. V.8. №2. P.147-170. https://doi.org/10.1615/CompMechComputApplIntJ.v8.i2.40
11. Baсидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. Москва, Мир. 1987. 542 с.
12. Гузь А.Н. Об определении приведенных упругих постоянных композитных слоистых материалов с начальными напряжениями. Доклады АН УССР. Сер. А. 1975. №3. С.216-219.
13. Гузь А.Н. Упругие волны в телах с начальными напряжениями. В 2-х т. Т.2. Закономерности распространения. Киев, Наукова думка. 1986. 536 с.
14. Алехин В.В., Аннин Б.Д., Колпаков А.Г. Синтез слоистых материалов и конструкций. Новосибирск, изд-во: Ин-т гидродинамики СО АН СССР. 1988. 128 c.
15. Akbarov S.D., Guliev M.S. Axisymmetric longitudinal wave propagation in a finite prestretched compound circular cylinder made of incompressible materials. International Applied Mechanics. 2009. V.45. №10. P.1141-1151. https://doi.org/10.1007/s10778-010-0255-y
16. Akbarov S.D. Recent investigations on dynamic problems for an elastic body with initial (residual) stresses. International Applied Mechanics. 2007. V.43. №12. P.1305-1324. https://doi.org/10.1007/s10778-008-0003-8
17. Гулиев М.С., Сейфулаев А.И., Абдуллаева Д.Н. Исследование распространения упругих волн в составном цилиндре с начальным кручением. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. №5. С.404-413. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2018-14-5-404-413
18. Белянкова Т.И., Калинчук В.В. Свойства преднапряженных изотропных материалов при учете упругих модулей высших порядков. Наука Юга России. 2017. №2. С.3-12. https://doi.org/10.23885/2500-0640-2017-13-2-3-12
19. Nedin R.D., Dudarev V.V., Vatulyan A.O. Vibrations of inhomogeneous piezoelectric bodies in conditions of residual stress-strain state. Applied Mathematical Modelling. 2018. V.63. P.219-242. https://doi.org/10.1016/j.apm.2018.06.038
20. Vatulyan A.O., Dudarev V.V., Mnukhin R.M. Determination of the inhomogeneous preliminary stress-strain state in a piezoelectric disk. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2018. V.59. №3. P.542-550. https://doi.org/10.1134/S0021894418030197
21. Dasdemir A. Forced vibrations of pre-stressed sandwich plate-strip with elastic layers and piezoelectric core. International Applied Mechanics. 2018. V.54. №4. P.480-493. https://doi.org/10.1007/s10778-018-0901-3
22. Guo X., Wei P. Dispersion relations of elastic waves in one-dimensional piezoelectric/piezomagnetic phononic crystal with initial stresses. Ultrasonics. 2016. V.66. P.72-85. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.11.008
23. Han J.M., Adriaens T.A., Koning W.L., Banning R. Modelling Piezoelectric Actuators. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2000. V.5. №4. P.331-341. https://doi.org/10.1109/3516.891044
24. Ivan I.A., Rakotondrabe M., Lutz P., Chaillet N. Quasistatic displacement self-sensing method for cantilevered piezoelectric actuators. Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics. 2009. V.80. №6. P.065102-1/065102-8. https://doi.org/ 10.1063/1.3142486
25. Софронов А., Никифоров В., Климашин В. Биморфные пьезоэлектрические элементы: актюаторы и датчики. Компоненты и технологии. 2003. Т.30. №4. С.46-48.
26. Zhu D., Almusallam A., Beeby S.P., Tudor J., Harris N.R. A bimorph multi-layer piezoelectric vibration energy harvester. PowerMEMS 2010 Proceedings. Belgium, Leuven. 2010. P.1-4.
27. Bansevičius R., Navickaitė S., Jūrėnas V., Mažeika D., Lučinskis R., Navickas J. Investigation of novel design piezoelectric bending actuators. Journal of Vibroengineering. 2013. V.15. №2. P.1064-1068.
28. Ватульян А.О., Гетман И.П., Лапицкая Н.Б. Об изгибе пьезоэлектрической биморфной пластины. Прикладная механика. 1991. Т.27. №10. С.101-105.
29. Ватульян А.О., Рынкова А.А. Об одной модели изгибных колебаний пьезоэлектрических биморфов с разрезными электродами и ее приложениях. Известия РАН МТТ. 2007. №4. С.114-122. https://doi.org/10.3103/S0025654407040127
30. Патент РФ №2099754. Йелстаун Корпорейшн Н.В. Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры. Дата заявки: 17.10.1996. Дата публикации: 20.12.1997. 7 c. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
31. Антоняк Ю.Т., Вассергисер М.Е. Расчет характеристик изгибного пьезоэлектрического преобразователя мембранного типа. Акустический журнал. 1982. Т.28. №3. С.294-302.
32. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. Ленинград, Энергоатомиздат. 1990. 270 с.
33. Williams C.B., Yates R.B. Analysis of a microelectric generator for Microsystems. Sensors and Actuators A: Physical. 1996. V.52. №1-3. P.8-11.
34. Аббакумов К.Е., Коновалов Р.С., Цаплев В.М. Экспериментальное исследование дискового биморфного пьезоэлектрического генератора. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. №9. С.59-63.
35. Liu H., Zhong J., Lee C., Lee S.-W., Lin L. A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications. Applied Physics Reviews. 2018. V.5. №4. P.041306; https://doi.org/10.1063/1.5074184
36. Васильев В.А., Веремьёв В.А., Тихонов А.И. Влияние частотных факторов и параметров на информативный сигнал пьезоэлектрических датчиков давления. Датчики и системы. 2003. №8. С.5-9.
37. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. Москва, Техносфера. 2006. 632 с.
38. Mouhli M. Analysis and shape modeling of thin piezoelectric actuators. Virginia Commonwealth University Publ. 2005. 100 p. https://scholarscompass.vcu.edu/etd/1552
39. Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы. Ростов на Дону, изд-во: РГУ. 2008. 159 с.
40. Yamada H., Sasaki M., Nam Y. Active vibration control of a micro-actuator for hard disk drives using self-sensing actuator. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2008. V.19. №1. P.113-123. https://doi.org/10.1177/1045389X07083693
41. El-Sayed A.M., Abo-Ismail A., El-Melegy M.T., Hamzaid N.A., Osman N.A.A. Development of a micro-gripper using piezoelectric bimorphs. Sensors. 2013. V.13. P.5826-5840. https://doi.org/10.3390/s130505826
42. Бардин В.А., Васильев В.А., Чернов П.С. Современное состояние и разработки актюаторов нано- и микроперемещений. Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2014. Т.2. С.123-127.
43. Бардин В.А., Васильев В.А. Актюаторы нано- и микроперемещений для систем управления, контроля и безопасности. Современная техника и технологии. 2014. №2. C.1-5. [Электронный ресурс]. https://technology.snauka.ru/2014/02/3057.
44. Zhou J., Dong L., Yang W. A Double-Acting Piezoelectric actuator for helicopter active rotor. Actuators. 2021. V.10. №10(247). P.1-15. https:// doi.org/10.3390/act10100247
45. Abedian B., Cundari M. Resonant frequency of a polyvinylidene flouride piezoelectric bimorph: the effect of surrounding fluid. Proceedings Smart Structures and Materials 1993. V.1916: Smart Materials. 23 July 1993. https://doi.org/10.1117/12.148486
46. Патент РФ №2723567. Паньков А.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В. Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля. Дата заявки: 18.11.2019. Дата публикации: 16.06.2020. 5 c. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
47. Патент RU №2636255. Паньков А.А. Пьезоактюатор изгибного типа. Дата заявки: 14.04.2016. Дата публикации: 21.11.2017. 8 c. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
48. Патент RU №2778161. Паньков А.А. Способ увеличения пьезочувствительности биморфа изгибного типа. Дата заявки: 27.01.2022. Дата публикации: 15.08.2022. 7 c. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
49. Patent US №5632841. Hellbaum R.F., Bryant R.G., Fox R.L. Thin layer composite unimorph ferroelectric driver and sensor. Application Date: 24.01.1997. Publication Date: 27.05.1997. 12 p. URL: https://patents.google.com/patent/US20010043027/fi
Для цитирования:
Паньков А.А. Эффект увеличения пьезомодулей начально сжатого гибкого биморфа. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2023. №6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.6.2