Пьезокерамика (пьезоэлектрические модули)

[Hstory 0]

День добрый Всем!!! Столкнулся вот с какой проблемой, а точнее я просто не понимаю, как это сделать ... Есть в наличии пьезокерамика от APC ltd. марка 841.  При описании материала в Engineering Data не соображу, как задать анизотропную таблицу в Ansys. Все данные которые предоставляет компания APC тут: http://www.symmetron.ru/suppliers/apc/index.shtml . установил версию Ansys 14.5, расширение piezo atc к сожалению нет... да и работаю я с Ansys недавно, так что ещё очень тёмный в этих вопросах. Конкретно какой то задачи не стоит, цель просто научиться работать с этой чудо программой... имею азы работы с ультразвуком, ну то есть могу сделать рабочий образец и снять с него параметры ... особенности конструкции и сходство с расчётом с удовольствием можно обсудить здесь ... думаю это будет интересно

[soklakov 1 475]

Посмотрите, пожалуйста, ролик. Может, вопросов будет поменьше или, по крайней мере, поконкретней.

[Hstory 0]

soklakov, огромное спасибо за ответ!!! С не поддельным интересом слежу за Вашими вразумляющими публикациями. Данное видео у меня уже имеется , ещё раз пересмотрел и заметил пару новых интересных моментов для себя .  Так же сделал вывод. о преждевременности заданного мною выше  вопроса. Ибо большая часть ультразвуковых систем относятся к резонансным системам. И разумней начинать такие вещи с исследования собственных резонансных частот с помощью модального анализа.  Только после, следует подавать напряжение и смотреть, что куда корчится. И вот вопрос. Можно ли в модальном анализе пьезокерамику указывать как изотропный материал с установленным модулем Юнга и кофф Пуассона?

[soklakov 1 475]

Можно ли в модальном анализе пьезокерамику указывать как изотропный материал с установленным модулем Юнга и кофф Пуассона?

Технически да. Но это другое решение, об изотропном материале. В какой степени будет влиять анизотропия на собственные частоты, Вы узнаете, когда проведете оба расчета. Возможно, разница будет невелика. Но даже если в десятке различных расчетов с различной формой пьезолектрика Вы получите незначительную разницу, то это не повод считать в 11-й раз тело изотропным. Индукция не очень надежный метод построения умозаключений.

В то же время, стоит заметить, что пьезоэлектрик часто снабжен резонатором. И в большей степени интересуют собственные частоты резонатора, а не пьезоэлектрика. В таком разрезе пьезоэлектрик иногда вообще из модели выкинуть можно. Он присутствует в модальном лишь для перспективы перехода к гармоническому расчету.

[Hstory 0]

Индукция не очень надежный метод построения умозаключений.

    Тут я с Вами полностью согласен !!!

 

 

В таком разрезе пьезоэлектрик иногда вообще из модели выкинуть можно. Он присутствует в модальном лишь для перспективы перехода к гармоническому расчету.

 

А вот в этом, пожалуй, не соглашусь. И попробую объяснить, почему это так.

          Ansys один из самых, а то и не самый мощный программный комплекс решения задач. Но так как это всего лишь программа, ждать от неё чуда не стоит. Как и любая другая программа, Ansys требует от программиста заведомо известного хода и алгоритмов решения поставленной задачи. Не имея представления о происходящих физических или каких либо других процессов в исследуемой системе неизбежно приведёт к плачевному результату. (Это лирическое отступление направленно не Вам soklakov. А тем кто пойдёт за нами. ) 

Ну ладно, вернёмся непосредственно к решению вопроса. Конструкций ультразвуковых излучателей бесчисленное множество. Но сколько бы их не было практически все можно разделить на два класса: 1) полуволновые и 2) четверть волновые излучатели. Одна из самых распространенных  конструкций это "сэндвич" или по другому излучатель Ланжевена. Который состоит из 3х частей: двух металлических частотопонижующих накладок и одной активной части (непосредственно самой керамики). Если рассматривать полуволновой класс, то излучатель и как Вы упоминали резонатор, (по-другому концентратор или трансформатор скорости) можно рассчитать отдельно как деве полуволновые системы. И сделать это можно довольно быстро и легко. Но вот если брать четверть волновые излучатели в которых излучающая накладка является и частотопонижающей и в то же время концентратором, дела будут обстоять гораздо сложнее. Так же в любом излучателе есть такое понятие как коэффициент асимметрии. этот параметр отвечает за положение керамики относительно узловой точки колебаний. И влияет на выходную амплитуду и входное сопротивление излучателя. Следовательно, исключать свойства керамики из модального анализа я бы не стал. Скорость распространения звука в средах разная, посему пучности и узлы будут смещаться. И может оказаться так, что керамика какой-то своей частью окажется в пучности колебаний и может просто механически не выдержать. У меня было такое и не раз на зоре освоения ультразвука. На прикрепленной фото мои разные излучатели. Все полуволновые, четверть волновых, к сожалению на фото нет. Сразу оговорюсь, для тех кого заинтересуют эти конструкции. Они не имеют ни какого практического применения, это сугубо научные образцы. В них не предусмотрены ни места закреплений ни возможности прикрепления рабочего инструмента.  На фото 2) вырез сделан полуволновым излучателем, который на фото 1) лежит. (яйцо сырое, удалось убрать скорлупу не повредив плёнки) . 

Предлагаю рассмотреть полуволновой и четверть волновой излучатель и весь ход решения в ansys, тут. 

 

PS: сразу возникает вопрос, зачем же тогда ansys? Ответ очень простой. Вся бумажная теория опирается на решении одномерных волновых уравнений для плоской стоячей волны. Но на практике модель не одномерная и волна не плоская, так как имеются места перехода диаметров в концентраторе. Что приводит к неизбежной корректировки расчёта и ansys тут просто не заменим!!!

 фото и вот

[soklakov 1 475]

А вот в этом, пожалуй, не соглашусь.

Не очень понял с цем Вы не согласились. Но информация, безусловно, интересная.

[Hstory 0]

Не очень понял с чем Вы не согласились

Тут я довольно не корректно выразился словом "не согласен". И хорошо понял, что конкретно Вы имели ввиду словами

В таком разрезе пьезоэлектрик иногда вообще из модели выкинуть можно.

. Они имеют глобальный характер. Да тут вопросов нет! Его иногда можно и выкинуть, а бывает так и делают в случаи когда расчёт идёт самого концентратора. И это действительно разумное решение. Думаю Вы как раз этот момент и имели ввиду... Но. что касается самого излучателя, так лучше не делать, да и не получится

[Hstory 0]

День добрый, soklakov !!!  Порылся вчера по сусекам, нашёл следующее: Дуралюмин В-65 плотность 2800 кг/м^3, модуль Юнга при 20С  7.1Е+10 Н/м^2. кофф Пуассона 0,32. Сталь 30Х13 плотность 7670 кг/м^3, модуль Юнга при 20С 2,23Е+11 Па, коэфф Пуассона 0,3. (ну эт всё на что у меня есть спектральный анализ , есть ещё конечно титан ОТ-4-0, но я в нём резьбу задолбаюсь резать ) . Ну и сами колечки АРС марки 841 (размер 18х7,8х3 мм) и  АРС 844 (38х13х6,2 мм). последними можно жахнуть конкретно . эт всё, что на эту керамику есть http://www.symmetron.ru/suppliers/apc/index.shtml.  Делал запрос на упругие константы в APC ltd. вот что ответили "Компания АРС производит пьезокерамический материал в соответствии с военным стандартом MIL-STD-1376B(SH). Военный стандарт вводит условные обозначения (терминология и единицы измерения), а также требования к основным типам пьезокерамики, их композициям и модифицированным композициям. Поэтому, в спецификации АРС указаны те параметры, которые требует стандарт. Другие параметры, которые можно найти в НИР университетов и исследовательских организаций, серийные производители не определяют в ходе своего производства, а заниматься исследовательской работой времени нет." вот так вот .

 

Предлагаю рассмотреть следующую полуволновую конструкцию на кольцах 18х7.8х3. и на частоту 25кГц (почему именно на 25кГц, а потому, что мне просто в лом перестраивать фильтры на генераторе ). Вчера прикинул на бумажке размеры: Излучающая накладка из В-65  18х6х40.5 мм, сквозное отверстие с резьбой м6. (это на перспективу, нахлобучить к ней концентратор). Отражающая накладка (ну тут как сказать отражающая . её принято так называть, хотя излучать она тоже будет. для того чтобы она была действительно отражающей её длинна должна равняться не чётному количеству четвертей волны. В нашем случаи это не так ) короче сталь 30х13 размер 37,2 мм имеет глухое отверстие под резьбу м6 длинной 15 мм. так же сделана выточка под изолирующую втулку из фторопласта-4 её размер (выточки) 7,8х1 мм. Медные электроды толщиной 18х6х0,5мм. сама фторопластовая втулка 7,8х6х7,5 мм. Шпилька м6 длинной 35 мм. сталь 30х13. Как посчитал. сюда не пишу, так как это не относится к теме. Ну кому интересно могу рассказать в личку.  Выглядеть будет так, фото:

Коэффициент асимметрии излучателя выбран таким образом, что бы керамика находилась в узле колебаний и испытывала минимальные нагрузки. на рис2 красной линией показано распределение амплитуды колебаний и видно что керамика находится в месте минимальной амплитуды и максимальной деформации-жёлтая кривая.

 

Какие ещё данные нужны для того что-бы перейти к работе в Ansys, мож я что упустил? .  С модуля Юнга и скорости распространения высчитал  Пуассона действительная 0,25  мнимая 0,67

 

 

[soklakov 1 475]

Какие ещё данные нужны для того что-бы перейти к работе в Ansys, мож я что упустил?

эмм... переходите...

[Hstory 0]

  ага, хорошо !!!   вот только такой моментик, между излучающей накладкой и одним кольцом керамики нет электрода. напряжение туда подводится через шпильку на излучающую накладку. так оставить? или вставить ещё один электрод. (На практики он там ненужен). Можно ли в дальнейшем гармоническом анализе указать эту плоскость?

[soklakov 1 475]

Вы же не рассматриваете протекание тока в проводниках. Вы зададите потенциал на грани пьезоэлектриков. Какая разница по каким проводникам он подводится?

Или я что-то не понял.

[Hstory 0]

Или я что-то не понял

нет нет, Вы всё поняли правильно! Ну эт я просто перестраховался... думаю в ansys к этой грани можно будет подлезть... в SolidWorks  точно можно, за ansys не знаю

[soklakov 1 475]

думаю в ansys к этой грани можно будет подлезть... в SolidWorks  точно можно, за ansys не знаю

Можно, можно)

[Hstory 0]

  запускаем Ansys Workbench... Кидаем на поле боя Engineering Data.

 

Указываем материалы у нас их 4. Для стали 30х13 за основу взята сталь по умолчанию с корректированными Юнгом, Пуассоном, Плотностью. С алюминием В-65 проделана такая же история.. Для фторопласта-4, материал выбран тефлон (это иностранный аналог) со стандартной библиотеки. И вот началось самое интересное ... Создаём новый материал "АРС841". указываем его плотность (цифра 1 на рис2). И анизотропные свойства (2 на рис 2). Опа, появилась табличка анизотропных свойств... и всё, приехали    !!!

что делать, как быть? что за табличка и куда тут что вставлять не могу дать ума... Раньше не приходилось с этим сталкиваться . Может кто знает, что туда указывать? и где эти данные нужно брать?

[soklakov 1 475]

У товарищей, всерьез занимающихся пьезоэлектриками, обычно есть набор упругих констант для своих материалов. Их шесть. Они полностью определяют эту матрицу. На какие места их вставлять в таблицу можно посмотреть в пдфке к ACT Piezo, я с ходу не помню.

Но у Вас есть только две в той табличке, которую Вы приводили выше - С11 и С33.

Производитель Вам остальные не дает. Может быть попробовать поискать другие пьезоэлектрики, у которых эти две константы совпадут с Вашими и предположить, что остальные тоже к Вашим близки?

Вообще, для начала задайте хоть какие-нибудь. Хоть те же, что в ролике, который обсуждался выше. И когда это останется последним вопросом, который надо выяснить, тогда уже придется поднапрячься всерьез и таки выяснить свойства Ваших материалов.

[Hstory 0]

Вообще, для начала задайте хоть какие-нибудь. Хоть те же, что в ролике, который обсуждался выше. И когда это останется последним вопросом, который надо выяснить

 

Думаю Вы правы !!! Давайте введём данные с таблички которая есть в Вашем видео и в Вашем посте тут: http://cccp3d.ru/topic/62137-pezoelement-zakreplennyi-na-dne-rezonatora/#entry544236. Если мне не изменяет склероз, то речь шла о материале PZT-4 . Он относиться к группе "Средней сегнетожёсткости"   841 к "Сегнетожёстким", но я сверил все возможные параметры и они очень при очень похожи  . Думаю прокатит, что мы не русские, что ли !!!  Короче вбиваем вот так:

Да вот ещё, по поводу тефлона оказалось в стандартной библиотеке в его параметрах не указанны Юнг и Пуассон их надо добавить. Юнг будет 686,5 МПа  Пуассон 0,38. Ну думаю на этом этапе всё...   или ещё что-то упустил?

[soklakov 1 475]

или ещё что-то упустил?

Пробуйте же)

Или Вы рассчитываете все с первого раза получить?))

[Hstory 0]

  Всё, пробуем... Проводим модальный анализ, буем смотреть собственные резонансные частоты. Нас будут интересовать продольные колебания всего излучателя. Импортируем модель с CAD программы SolidWorks.  Все контакты деталей были так же указаны в SW и автоматически импортировались. Наш излучатель не имеет мест закрепления (их нужно производить в местах минимальной амплитуды, в нашем случаи это невозможно, туда мы поместили керамику ) так что буде висеть в воздухе ))). Сетку я задал по умолчанию.

Диапазон сканирования выберем от 20кГц до 40кГц, так как рассчитывали на 30кГц. Все материалы заданы. Ну что ключ на старт !!! Пуск!!! и вот свершилось чудо !!!

 Эх, чуть чуть не попали   ошибка 1.8%... Как и следовало ожидать, наша керамика находится в месте минимальной амплитуды, там ей будет тепло и комфортно ))). Так же легко заметить, что излучающая накладка действительно излучает, а отражающая действительно не отражает. но амплитуда первой больше, чем второй.

 

 

[Hstory 0]

Вот, сейчас получится хорошо показать, что же такое коэффициент асимметрии относительно узловой точки.

В этом опыте мы изменили этот коэффициент, выдвинув керамику чуть в сторону излучения. Как видно резонансная частота преобразователя осталась прежней. А вот керамика попадает под действие более сильной амплитуды. Тем самым излучатель уменьшил своё входное сопротивление и увеличил амплитуду. Так можно до сдвигаться до тех пор пока керамика просто не треснет в излучателе. И если у Вас на АЧХ появились вдруг лишние резонансы, которые не соответствуют теории. то можете смело говорить что керамики папец  . 

[Hstory 0]

Ну и до кучи. Может кому пригодится ....