基于pz-5h的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

基于pz-5h的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與仿真

0自適應(yīng)彈性系統(tǒng)材料提高彈藥命中率是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的一個(gè)重要問題。目前，許多國家已經(jīng)開發(fā)出自己的自適應(yīng)彈藥，如全身導(dǎo)管、自適應(yīng)彈藥擴(kuò)展和自我適應(yīng)脈沖控制。這些技術(shù)顯著提高了彈藥的性能。作為自適應(yīng)控制系統(tǒng)必不可少的一部分,智能材料如光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電高分子材料、壓電陶瓷等都起著至關(guān)重要的作用。因此文中針對智能材料自適應(yīng)技術(shù)提出了一種新型的壓電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,為自適應(yīng)彈藥設(shè)計(jì)提供參考。1壓電微位移冷凝器的結(jié)構(gòu)壓電驅(qū)動(dòng)器利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng),在電場的作用下產(chǎn)生形變,輸出位移或在有負(fù)載的情況下,輸出動(dòng)力做功。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是一種高精度的微型驅(qū)動(dòng)元件,常見的結(jié)構(gòu)主要有疊堆型、薄板型、管型和雙晶片型等,疊堆型壓電陶瓷可以承受很大的壓力,并且可以產(chǎn)生較大的輸出位移,是構(gòu)成壓電微位移驅(qū)動(dòng)器的核心元件。當(dāng)壓電晶體上加一定的電壓時(shí),晶體不但產(chǎn)生極化,還產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力,當(dāng)外電場不是很強(qiáng)時(shí),應(yīng)變S與外電場E呈正比關(guān)系:Sj=dijEi(1)式中:S為應(yīng)變;E為電場強(qiáng)度;dij為壓電應(yīng)變常數(shù);i和j分別為電場和應(yīng)變方向。由于壓電材料的壓電應(yīng)變系數(shù)都很小,故采用單個(gè)壓電體輸出的位移是非常有限的。為了在較低的電壓下獲得比較大的變形量,驅(qū)動(dòng)器必須采取多層疊片式結(jié)構(gòu),將壓電陶瓷片采用機(jī)械上串聯(lián)、電學(xué)上并聯(lián)的方式一片片的疊堆起來,如圖1所示。一旦加上電壓,電場指向極化方向,導(dǎo)致每個(gè)陶瓷片變厚,使整個(gè)壓電疊層伸長,其位移量為:ΔL=ndijU(2)式中:n為壓電陶瓷片的個(gè)數(shù);dij為壓電應(yīng)變系數(shù);U為施加的驅(qū)動(dòng)電壓。由式(2)可以得出位移輸出量與壓電堆中壓電片數(shù)目n及輸入電壓U成正比。2動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性壓電陶瓷相對其它智能材料是一種理想的納米級(jí)微位移元件,但壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在較高的電場作用下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性,從而大大降低了其定位精度。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的非線性不僅與材料的非線性、遲滯、蠕變等因素有關(guān),還與器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有關(guān)。壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器在電場作用下產(chǎn)生位移的輸出,應(yīng)具有較高的響應(yīng)速度,但由于在電學(xué)上壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于電容性元件,壓電疊堆可以看作是很多個(gè)電容器并聯(lián)在一起的電容,加之壓電陶瓷內(nèi)阻很高,因此充電電流小,響應(yīng)時(shí)間長,大大降低了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。另外,器件輸出速度與自身等效電容值的大小及采用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的品質(zhì)有密切關(guān)系,驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力和響應(yīng)特性直接影響器件的動(dòng)態(tài)特性。圖2為疊堆型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的等效電路。圖中,電容C1、電感L1和電阻R1可看作疊堆型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器相互聯(lián)系的結(jié)合體,C0為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的等效電容。3位移問題的反壓電分析考慮了結(jié)構(gòu)和電場的相互作用:它主要解決由于所施加的電壓載荷引起的位移問題,反之亦然。利用ANSYS軟件建立結(jié)構(gòu)模型,這里選用了專門用于壓電材料分析的耦合單元SOLID226單元類型,壓電晶片堆采用壓電系數(shù)較大的PZT-5H陶瓷片堆疊,極化方向沿厚度方向,相鄰兩片的極化方向相反。3.1構(gòu)建壓電陶瓷“逆壓”模型瞬態(tài)分析可以分析隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力以及力載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。由于有限元計(jì)算是在一種理想的約束條件下完成的,建模分析前應(yīng)作一些假設(shè)。首先,由于壓電陶瓷的每個(gè)矩形薄片的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的尺寸,所以假設(shè)電場只在厚度方向有變化,在其它兩個(gè)方向都是相同的;第二,不計(jì)電極對薄片整體強(qiáng)度的影響。按照以上假設(shè)進(jìn)行物理建模,總體笛卡爾坐標(biāo)系的Y軸選為疊堆型壓電陶瓷模型的厚度方向。文中選用3片規(guī)格為50mm×1mm×30mm的矩形陶瓷片堆疊在一起建立有限元模型。由輸出變形圖可以看出,壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器中部變形最大,從而可以利用中部的最大彎曲變形作為驅(qū)動(dòng)器位移的輸出端。如圖3所示,在200V電壓的條件下,最大彎曲位移為1.4E-7m。壓電矩形薄片的等效應(yīng)力分布如圖4所示。由云圖分布可知,矩形片所受最大應(yīng)力在端部,約為2.58MPa。在厚度方向施加電壓的過程中,由于壓電陶瓷片逆壓電效應(yīng),壓電陶瓷內(nèi)部正負(fù)電荷沿厚度方向中心線產(chǎn)生相對位移,從而使壓電陶瓷片產(chǎn)生應(yīng)變,此應(yīng)變又由于正壓電效應(yīng),使壓電陶瓷片表面出現(xiàn)異號(hào)極化電荷而產(chǎn)生電場。因此壓電陶瓷的位移輸出過程也是力學(xué)變形與電荷電場相互耦合的過程,應(yīng)力與位移是隨時(shí)間變化的量,采用動(dòng)力學(xué)有限元分析方法,能夠更加準(zhǔn)確的仿真驅(qū)動(dòng)電壓與驅(qū)動(dòng)器輸出位移的關(guān)系,提高計(jì)算精度,如圖5所示。由曲線圖可以看出,將給定規(guī)格的壓電陶瓷薄片一片片的疊加,由式(2)可知,當(dāng)壓電矩形薄片的片數(shù)一定時(shí),輸出位移量與壓電堆中壓電片的輸入電壓U是成正比的,如表1所示。3.2共振現(xiàn)象的模態(tài)分析為了減少壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在設(shè)計(jì)的過程中出現(xiàn)共振現(xiàn)象,對其進(jìn)行了固有模態(tài)分析,前10階的模態(tài)如表2所示。同時(shí)這里截取了壓電矩形片在各個(gè)不同頻率下的振動(dòng)狀態(tài),如圖6所示。4陶瓷機(jī)電耦合的有限元分析針對自適應(yīng)彈藥彈道修正的特殊要求研究了該驅(qū)動(dòng)器,闡述了疊堆型驅(qū)動(dòng)器的工作原理,并對壓電陶瓷進(jìn)行了力學(xué)和電學(xué)分析,應(yīng)用壓電陶瓷機(jī)電耦合建立有限元模型。從分析結(jié)果可以看出,壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器可以在厚度方向?qū)崿F(xiàn)