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

Podobne dokumenty
Materiał do tematu: Piezoelektryczne czujniki ciśnienia. piezoelektryczny

Właściwości optyczne kryształów

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

PIEZOELEKTRYKI I PIROELEKTRYKI. Krajewski Krzysztof

Piezoelektryki. Jakub Curie

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki

Pole elektryczne w ośrodku materialnym

Zjawisko piezoelektryczne 1. Wstęp

Metoda elementów skończonych

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki

Wytrzymałość Materiałów

Piroelektryki. Siarczan trójglicyny

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

POMIAR DRGAŃ I ROZKŁADU TEMPERATUR W MASZYNACH ROBOCZAYCH

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

Materiały do laboratorium Przygotowanie Nowego Wyrobu dotyczące metody elementów skończonych (MES) Opracowała: dr inŝ.

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

Kondensatory. Konstrukcja i właściwości

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

BIOMECHANIKA KRĘGOSŁUPA. Stateczność kręgosłupa

ROZWIĄZYWANIE ZADAŃ BRZEGOWYCH LINIOWEJ PIEZOELEKTRYCZNOŚCI POŚREDNIĄ METODĄ TREFFTZA

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

Modelowanie Wspomagające Projektowanie Maszyn

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

POLE ELEKTRYCZNE PRAWO COULOMBA

Badanie ugięcia belki

ALGORYTM STATYCZNEJ ANALIZY MES DLA KRATOWNICY

CZUJNIKI I UKŁADY POMIAROWE

Laboratorium Wytrzymałości Materiałów

Regupol maty wibroizolacyjne gumowo-poliuretanowe

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

Krystalografia. Symetria a właściwości fizyczne kryształów

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

PRZYKŁADOWE ZADANIA. ZADANIE 1 (ocena dostateczna)

PRZETWORNIKI POMIAROWE

LABORATORIUM Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

Znów trochę teorii...

THE MODELLING OF CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OF HARMONIC DRIVE

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

(zwane również sensorami)

Zestaw ćwiczeń laboratoryjnych z Biofizyki dla kierunku Fizjoterapia

Podstawy fizyki wykład 8

Wprowadzenie do mechatroniki

Metoda cyfrowej korelacji obrazu w badaniach geosyntetyków i innych materiałów drogowych

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

ANALIZA MATERIAŁÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH METODĄ ELEMENTÓW BRZEGOWYCH WPŁYW KIERUNKU POLARYZACJI

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 7

BADANIE PROSTEGO I ODWROTNEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO I JEGO ZASTOSOWANIA

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie D-3

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki

WYTRZYMAŁOŚĆ RÓWNOWAŻNA FIBROBETONU NA ZGINANIE

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 5

Materiały piezoelektryczne: pomiar prostego i odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego

MATERIAŁY SUPERTWARDE

Nowoczesne metody metalurgii proszków. Dr inż. Hanna Smoleńska Materiały edukacyjne DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Część III

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH

Temat XXI. Pole Elektryczne w Materii

Al.Politechniki 6, Łódź, Poland, Tel/Fax (48) (42) Mechanika Budowli. Inżynieria Środowiska, sem. III

STATYCZNA PRÓBA ŚCISKANIA

Defi f nicja n aprę r żeń

PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA

Dielektryki i Magnetyki

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

TARCZE PROSTOKĄTNE Charakterystyczne wielkości i równania

PL B BUP 10/12. UNIWERSYTET ŚLĄSKI W KATOWICACH, Katowice, PL. LUCJAN KOZIELSKI, Orzesze, PL

Maty wibroizolacyjne gumowo-poliuretanowe

Politechnika Białostocka

Fizyczne właściwości materiałów rolniczych

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

Dielektryki. właściwości makroskopowe. Ryszard J. Barczyński, 2016 Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

5. Przetworniki drgań

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz.13

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Metody badań składu chemicznego

Statyczna próba rozciągania laminatów GFRP

Właściwości kryształów

DIAGNOSTYKA MASZYN POMIARY

MAGNETO Sp. z o.o. Możliwości wykorzystania taśm nanokrystalicznych oraz amorficznych

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Sensory (czujniki)

Politechnika Poznańska

Przetwornik zanurzeniowy

CERAMIKA PLZT JAKO MATERIAŁ DLA ELKTROAKUSTYKI

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2014/15

Materiały magnetyczne SMART : budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, zastosowanie / Jerzy Kaleta. Wrocław, Spis treści

Zasady projektowania systemów stropów zespolonych z niezabezpieczonymi ogniochronnie drugorzędnymi belkami stalowymi. 14 czerwca 2011 r.

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU Z PODSTAW ZASTOSOWAŃ ULTRADŹWIĘKÓW W MEDYCYNIE (wyłącznie do celów dydaktycznych zakaz rozpowszechniania)

METODA PASM SKOŃCZONYCH PŁYTY DWUPRZĘSŁOWE

Wykład 8: Lepko-sprężyste odkształcenia ciał

BADANIA SYMULACYJNE ROZKŁADU CIŚNIENIA AKUSTYCZNEGO W OBIEKTACH O RÓŻNEJ SKALI

forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 1W, 1S, 1ĆW PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

WAT - WYDZIAŁ ELEKTRONIKI INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH. Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI Ćwiczenie nr 1 PROTOKÓŁ / SPRAWOZDANIE

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

Nauka o Materiałach. Wykład VIII. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste. Jerzy Lis

Transkrypt:

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

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)

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)

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

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.

Przykłady zastosowania materiałów piezoelektrycznych

Piezoelektryczne brzęczyki

Zapalniczki i zapalarki

Piezoelektryczne kadridże w drukarkach atramentowych

Piezoelektryczne wtryskiwacze paliwa

Czujniki ciśnienia powietrza w oponie samochodowej

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

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.

Odkształcenie tarczy w MEB

Odkształcenie tarczy w MES

Wykres przemieszczeń węzłów

Wykres rozkładu potencjału

Względny błąd średniokwadratowy N 1 1 ε = ( e f N max i= 1 f n i f e i ) 2 100% wartość błedu 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 ilość elem błąd przemieszczeń w MEB bład przemieszczeń w MES bład rozkładu potencjału w MEB bład rozkładu potencjału w MES

Belka Bimorph poddana działaniu potencjału elektrycznego Ceramika: PZT - 4 2h 50 57 50 +V Y 49 9 58 98 49 9 8 1 8 X Wymiary tarczy: a=5mm - szerokość; h=2mm wysokość; 57 1 58 98 -V Warunki brzegowe: 2a V=100V wartość przyłożonego napięcia;

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

Wykres przemieszczeń w osi X 6.00E-08 4.00E-08 przemieszczenie [m] 2.00E-08 0.00E+00-2.00E-08-4.00E-08-6.00E-08 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 liczba wę złów rozwiazanie analityczne rozwiazanie numeryczne MES rozwiazanie numeryczne MEB

Wykres przemieszczeń w osi Y 1.00E-07 8.00E-08 przemieszczenie [m] 6.00E-08 4.00E-08 2.00E-08 0.00E+00-2.00E-08 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 liczba wę złów rozwiazanie analityczne rozwiazanie numeryczne MES rozwiaz a nie num e rycz ne MEB

Belka bimorph poddana działaniu potencjału elektrycznego porównanie kilku piezo Ceramika: 45 +V Y 5 PZT 5 Pz21 2h 1 49 V=0 49 1 X Argillon 1876 Wymiary tarczy: a=10mm - szerokość; 5 -V 45 h=2mm wysokość; 2a Warunki brzegowe: V=100V wartość przyłożonego napięcia;

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

Wykres przemieszczeń w osi X Wykres przemieszczeń w osi X przemieszczenie w [m] 1.00E-06 8.00E-07 6.00E-07 4.00E-07 2.00E-07 0.00E+00-2.00E-07-4.00E-07-6.00E-07-8.00E-07-1.00E-06 0 4 8 1216202428323640444852566064687276808488 numery wę złów Przemieszczenie w osi X ceramiki PZT-5 Przemieszczenie w osi X ceramiki Argillon 1876 Przemieszczenie w osi X ceramiki Pz21

Wykres przemieszczeń w osi Y Wykres przemieszczeń w osi Y 5.00E-07 0.00E+00 przemieszczenie w [m] -5.00E-07-1.00E-06-1.50E-06-2.00E-06-2.50E-06 0 4 8 1216202428323640444852566064687276808488 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

Rozkład potencjału Wykre s roz kładu potencjału 3.50E+02 3.00E+02 przemieszczenie w [m] 2.50E+02 2.00E+02 1.50E+02 1.00E+02 5.00E+01 0.00E+00-5.00E+01 0 4 8 1216202428323640444852566064687276808488 numery wę złów rozkład potencjału dla ceramiki PZT-5 rozkład potencjału dla ceramiki Argillon 1876 rozkład potencjału dla ceramiki Pz21

Przykłady zastosowań praktycznych Piezoelektryczny siłownik Ceramika: Argillon 1876 -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

Podział na elementy skończone

Przemieszczenie w górę Wykresy przemieszczeń Przemieszczenie w dół przemieszczenie [m] 3.00E-05 2.00E-05 1.00E-05 0.00E+00-1.00E-05-2.00E-05-3.00E-05 wykresy przemieszczeń -1500-1200 -900-600 -300 0 300 600 900 1200 1500 wartosć napiecia [V] przemieszczenie aktuatora pierwszego przemieszczenie aktuatora drugiego

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;

Postacie drgań tarczy otrzymanych za pomocą MEB i MES

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 [%] 1 0.26017 0.27937 7.38 2 0.64144 0.68282 6.45 3 0.68366 0.68525 0.23 4 1.16880 1.15660-1.04 5 1.22230 1.23880 1.35 1 0.26189 0.28318 8.13 2 0.64177 0.68796 7.20 3 0.71770 0.73508 2.42 4 1.18800 1.18200-0.51 5 1.30050 1.37410 5.66

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;

Postacie drgań belki bimorph otrzymane za pomocą MES Nr postaci Częstotliwość [MHz] Częstotliwość [MHz] Zamknięty warunek brzegowy Otwarty warunek brzegowy 1 0.011923 0.012426 2 0.040568 0.043178 3 0.045643 0.046350 4 0.075798 0.082167 5 0.098646 0.10126

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.

Dziękuję za uwagę