МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ СТЕКОВОГО ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА ИЗ ПОРИСТОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ

Аннотация

Численно исследована эффективность применения пористой пьезокерамики в стековом пьезоэлементе, который может быть использован как силовой элемент привода, пьезоэлектрический генератор, ультразвуковой излучатель. Исследуется стековый пьезоэлемент, состоящий из восьми сплошных цилиндров, встречно поляризованных в осевом направлении. Материал цилиндров пьезокерамика PZT-4, пористость которой изменяется от 0 до 80%. Решается задача об осевых установившихся колебаниях в окрестности первой резонансной частоты и ниже ее. Нижний торец цилиндра закреплен по нормали, возбуждение колебаний осуществляется за счет механического воздействия при равномерно распределенном давлении на верхнем торце или действия разности электрических потенциалов на электродах. Задачи решаются в рамках линейной осесимметричной теории электроупругости. При механическом воздействии выходной характеристикой устройства является электрический потенциал на свободных электродах, при электрическом – амплитуда осевых колебаний верхнего торца или сила реакции в случае его закрепления.

В качестве метода решения использован метод конечных элементов, реализованный в пакете ACELAN. В результате численного решения исследуется зависимость от пористости выходных характеристик пьезоэлемента: частот резонанса и антирезонанса; коэффициента электромеханической связи; выходного потенциала при механическом нагружении; амплитуды колебаний свободного верхнего торца и реакции связи при его закреплении при возбуждении колебаний разностью потенциалов; энергии упругого элемента, прикрепленного к этому торцу. Анализ зависимости этих характеристик позволяет сделать вывод о целесообразности использования такого элемента с пористой керамикой в качестве пьезоэлектрического генератора и излучателя. Отмечено, что выбор величины пористости напрямую зависит от интенсивности нагрузок и прочности пористой пьезокерамики.