POLITECHNIKA ŚLĄSKA. Praca dyplomowa magisterska. Analiza materiałów piezoelektrycznych za pomocą metody elementów brzegowych i skończonych

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA Praca dyplomowa magisterska Analiza materiałów piezoelektrycznych za pomocą metody elementów brzegowych i skończonych Promotor: dr hab. inż. Piotr Fedeliński, Prof. Pol. Śl. Opiekun: mgr.inż. Grzegorz Dziatkiewicz

2 Zjawisko piezoelektryczne -zjawisko odkryte w 1880r. Przez Jaquesa i Piotra Curie; -powstają ładunki elektryczne pod wpływem działania siły zewnętrznej; Przemiana mechanoelektryczna (ściskanie) -natężenie pola elektrycznego proporcjonalne do naprężeń mechanicznych występujących w materiale; Przemiana mechanoelektryczna (rozciąganie)

3 Zjawisko piezoelektryczne odwrotne -poddawany działaniu pola elektrycznego materiał piezoelektryczny odkształca się; -pod pojęciem zjawisko piezoelektryczne rozumie się zarówno przemianę mechanoelektryczną jak i elektromechaniczną; Przemiana elektromechaniczna (ściskanie) Przemiana mechanoelektryczna (rozciąganie)

4 Materiały piezoelektryczne - Kwarc budowa heksagonalna, mat. Jednorodny, anizotropowe właściwości mechaniczne i elektryczne, mała higroskopijność. Tc=576st.C, stały efekt piezo do temp=200 st.c. -Turmalin kamień szlachetny, wysoka cena, wykorzystywany w specjalistycznych aparaturach. -Sól Rochelle dobre własności piezo, mała odporność na wilgoć, konieczność stosowania smarów i lakierów do zabezpieczenia przez co zmniejsza się efekt -fosforan amonu, siarczan litu oraz niobian litu ale ich wykorzystanie w praktyce ogranicza się jedynie do zastosowań w wyspecjalizowanych badaniach fizycznych

5 Materiały piezoelektryczne ceramika piezoelektryczna - tytanian baru BaTiO 3 Powstaje przez spiekanie w temperaturze 140 C tlenków metali z grupy tytanowców tytanu i cyrkonu z tlenkami baru, ołowiu, litu + dodatki. Tc=120 st.c; tania w otrzymaniu. - PZT - spiek cyrkonianu ołowiu z tytanianem baru; najszerzej stosowana, miękka i twardza, Tc=350 st.c, dużą dobrocią mechaniczna Q m, wysokim oporem właściwym, wysoką i stabilną przenikalność dielektryczną, wykorzystywana w wielu urządzeniach technicznych.

6 Przykłady zastosowania materiałów piezoelektrycznych

7 Piezoelektryczne brzęczyki

8 Zapalniczki i zapalarki

9 Piezoelektryczne kadridże w drukarkach atramentowych

10 Piezoelektryczne wtryskiwacze paliwa

11 Czujniki ciśnienia powietrza w oponie samochodowej

12 Analiza ceramiki piezoelektrycznej z wykorzystaniem metody elementów brzegowych oraz metody elementów skończonych

13 Tarcza poddana działaniu naprężeń i potencjału elektrycznego Wymiary tarczy: l=1mm - szerokość tarczy; h=0,5mm wysokość połowy tarczy; Warunki brzegowe: V=1000V wartość przyłożonego napięcia; q=0 wartość ładunku; σ=10mpa przyłożone naprężenie ściskające.

14 Odkształcenie tarczy w MEB

15 Odkształcenie tarczy w MES

16 Wykres przemieszczeń węzłów

17 Wykres rozkładu potencjału

18 Względny błąd średniokwadratowy N 1 1 ε = ( e f N max i= 1 f n i f e i ) 2 100% wartość błedu ilość elem błąd przemieszczeń w MEB bład przemieszczeń w MES bład rozkładu potencjału w MEB bład rozkładu potencjału w MES

19 Belka Bimorph poddana działaniu potencjału elektrycznego Ceramika: PZT - 4 2h V Y X Wymiary tarczy: a=5mm - szerokość; h=2mm wysokość; V Warunki brzegowe: 2a V=100V wartość przyłożonego napięcia;

20 Mapa przemieszczeń w osi X Mapa przemieszczeń w osi Y Rozkład potencjału

21 Wykres przemieszczeń w osi X 6.00E E-08 przemieszczenie [m] 2.00E E E E E liczba wę złów rozwiazanie analityczne rozwiazanie numeryczne MES rozwiazanie numeryczne MEB

22 Wykres przemieszczeń w osi Y 1.00E E-08 przemieszczenie [m] 6.00E E E E E liczba wę złów rozwiazanie analityczne rozwiazanie numeryczne MES rozwiaz a nie num e rycz ne MEB

23 Belka bimorph poddana działaniu potencjału elektrycznego porównanie kilku piezo Ceramika: 45 +V Y 5 PZT 5 Pz21 2h 1 49 V= X Argillon 1876 Wymiary tarczy: a=10mm - szerokość; 5 -V 45 h=2mm wysokość; 2a Warunki brzegowe: V=100V wartość przyłożonego napięcia;

24 Podział na elementy skończone Wykres przemieszczeń w osi X Wykres przemieszczeń w osi Y Rozkład potencjału

25 Wykres przemieszczeń w osi X Wykres przemieszczeń w osi X przemieszczenie w [m] 1.00E E E E E E E E E E E numery wę złów Przemieszczenie w osi X ceramiki PZT-5 Przemieszczenie w osi X ceramiki Argillon 1876 Przemieszczenie w osi X ceramiki Pz21

26 Wykres przemieszczeń w osi Y Wykres przemieszczeń w osi Y 5.00E E+00 przemieszczenie w [m] -5.00E E E E E numery węzłów P rzemieszczenie w osi Y ceramiki P ZT-5 P rzemieszczenie w osi Y ceramiki P z21 Przemieszczenie w osi Y ceramiki Argillon 1876

27 Rozkład potencjału Wykre s roz kładu potencjału 3.50E E+02 przemieszczenie w [m] 2.50E E E E E E E numery wę złów rozkład potencjału dla ceramiki PZT-5 rozkład potencjału dla ceramiki Argillon 1876 rozkład potencjału dla ceramiki Pz21

28 Przykłady zastosowań praktycznych Piezoelektryczny siłownik Ceramika: Argillon V -V -V B c +V +V +V +V -V -V -V -V -V -V d +V +V +V +V B +V +V +V Wymiary tarczy: A = 20[mm]; B = 24[mm]; C = 4[mm]; D = 2[mm] Warunki brzegowe: A A V=1500V

29 Podział na elementy skończone

30 Przemieszczenie w górę Wykresy przemieszczeń Przemieszczenie w dół przemieszczenie [m] 3.00E E E E E E E-05 wykresy przemieszczeń wartosć napiecia [V] przemieszczenie aktuatora pierwszego przemieszczenie aktuatora drugiego

31 Wyznaczenie częstości drgań własnych - tarcza Wymiary tarczy: l=1mm - szerokość tarczy; h=0,5mm wysokość połowy tarczy; Warunki brzegowe: V=0 wartość przyłożonego napięcia; q=0 wartość ładunku;

32 Postacie drgań tarczy otrzymanych za pomocą MEB i MES

33 Częstości drgań własnych tarcza Warunek zamknięty Warunek otwarty δ = MEB MES MES 100% Nr postaci Częstość MES [MHz] Częstość MEB [MHz] Różnica [%] Nr postaci Częstość MES [MHz] Częstość MEB [MHz] Różnica [%]

34 Wyznaczenie częstości drgań własnych Układ Bimorph Ceramika: PZT - 4 Wymiary tarczy: a=20mm - szerokość; h=2mm wysokość; Warunki brzegowe: V=0 wartość przyłożonego napięcia; q=0 wartość ładunku;

35 Postacie drgań belki bimorph otrzymane za pomocą MES Nr postaci Częstotliwość [MHz] Częstotliwość [MHz] Zamknięty warunek brzegowy Otwarty warunek brzegowy

36 Wnioski -Zarówno MES jak i MEB nadają się do analizy materiałów piezoelektrycznych, -Duża dokładność wyników obydwu metod w porównaniu z metodą analityczną: błąd max MEB dla przemieszczeń ok.1% dla potencjału ok. 2.2% błąd MES dla przemieszczeń ok. 1% dla potencjału ok. 3% -Duża zgodność wyników częstości własnych i postaci drgań układów otrzymanych za pomocą MES i MEB.

37 Dziękuję za uwagę