Разработка математических моделей электроупругих структур и их применение в САПР пьезокерамических элементов

• Автор: Шахворостов, Дмитрий Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 93 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ.

1.1. Пьезокерамика.

1.1.1. Пьезокерамика и области ее применения.

1.1.2. Формулы пьезоэффектов

1.1.3. Технология изготовления пьезоэлементов.

1.1.4. Уравнения состояния пьезокерамической среды

1.2. Конечноэлементное моделирование пьезокерамических изделий

1.2.1. Сущность МКЭ и основные этапы его практической реализации

1.2.2. Построение физической модели.

1.2.3. Построение математической модели.
1.2.4. Возможности в решении задач элекгроупругости.
1.2.4.1. Определение материальных констант пьезоэлектрических материалов
1.2.4.2. Граничные условия на электродах
1.2.4.3 Определение частот электрических резонансов.
Выводы к главе 1
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ФИЛЬТРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
2.1. Сравнительный анализ исследований моночастотности пьезокерамических дисковых резонаторов аналитическими методами и методом конечных элементов
2.2. Исследование влияния геометрической формы на характеристики
пьезокерамических квадратных резонаторов
Выводы к главе 2
ГЛАВА 3. КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНЫЙ РАЧЕТ АКУСТИЧЕКОГО
ПУЧКА И КОЛЕБАНИЙ СФЕРИЧЕСКОГО ФОКУСИРУЮЩЕГО
ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА
Выводы к главе 3.
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БИМОРФНОГО ГИРОСКОПА
4.1. Устройство и физические явления в чувствительном элементе
4.2. Аналитическое описание колебательных процессов
4.3. Моделирование колебательных процессов биморфного
чувствительного элемента.
Выводы к главе 4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ. Пьезокерамика. Пьезокерамика и области ее применения. Технология изготовления пьезоэлементов. Построение физической модели. Построение математической модели. Возможности ANSYS в решении задач элекгроупругости. Определение частот электрических резонансов. ГЛАВА 2. ГЛАВА 3. Выводы к главе 3. ГЛАВА 4. Выводы к главе 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Эффективность электромеханического преобразования в сочетании с механической, электрической и температурной прочностью и технологической отработанностью серийного изготовления пьезокерамических материалов и преобразователей обуславливают широкое использование пьезокерамики. Поэтому разработка математических моделей, учитывающих электроупругие свойства пьезокерамики, и их применение в специализированных системах автоматизированного проектирования (САПР) пьезокерамических элементов представляется весьма актуальной. Современные САПР, использующие различные математические методы, в частности метод конечных элементов (МКЭ), обладают большими возможностями для решения подобных задач. САПР трех типов пьезокерамических элементов, разрабатывавшихся в ОАО «Элпа». Эти пьезоэлементы используются в фильтрах промежуточной частоты для аппаратуры низовой радиосвязи, в ингаляторах в качестве ультразвуковых фокусирующих излучателей, в датчиках угловых скоростей, где они исполняют роль чувствительного элемента. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей электроупругих структур этих пьезоэлементов, исследование с помощью построенных моделей зависимостей эксплуатационных параметров от изменения формы и дефектов пьезокерамических элементов, определение технологических допусков и выработка рекомендаций по совершенствованию конструкций пьезоэлементов и технологических процессов их изготовления. Разработка сферических ультразвуковых излучателей”, “Разработка пьезокерамического гироскопа с разрешающей способностью не хуже 0,1 град/с и угловой скоростью до 0 град/с”, “Разработка базовых конструкций и технологий малогабаритных пьезокерамических биморфных гироскопов” и внедрены в производство ОАО «Элпа». ГЛАВА 1. В первой части первой главы приводится общая и специальная информация о пьезокерамике, уравнениях пьезоэффекта, технологии и уравнениях состояния. Эта информация из литературных источников так же как информация о методах расчета пьезокерамических элементов, приведенная во второй части первой главы, используется в следующих разделах работы. В общем виде «дерево керамики», которое «поддерживает» новейшие отрасли промышленности -го века, представлено на рис. Все керамические материалы имеют одни «корни», они, как правило, образованны с участием воздействия температуры на сырьевые материалы. В основе «дерева керамики» - общие «корни» - технологические процессы переработки исходных сырьевых компонент: синтез исходных материалов (смешивание порошков и первая высокотемпературная обработка смесей), формование, спекание, механические и другие, специальные, виды обработки, оценка качества и проектирование применения. Пьезоэлектрическая керамика - это керамика, с которой можно реализовывать прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. При прямом пьезоэффекте давление (или другое механическое воздействие) на пьезокерамику вызывает появление заряда (разности потенциалов). При обратном пьезоэффекте приложенная к пьезокерамике разность потенциалов (электрическое напряжение) обуславливает изменение размеров пьезокерамики.