基于多场耦合模拟的压电射流驱动器性能分析和改进设计.pdf
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1、 年第 期基于多场耦合模拟的压电射流驱动器性能分析和改进设计武鸿超,汪伟,宋磊,王强(景德镇陶瓷大学机械电子工程学院,江西 景德镇 )摘要:压电射流驱动器是一种将压电技术和合成射流技术相结合的驱动装置,对驱动器的激励参数和结构形状进行优化和改进设计,获得需要的射流速度,对于压电射流驱动器的广泛应用有着重要意义.本文首先建立了电场、结构场和流场等多物理场耦合的压电射流驱动器三维仿真模型,在此基础上对驱动器的电压参数进行优化分析,得到激励电压的最优波形,接着对驱动器的总体结构进行改进设计,提出一种截角八面体式的腔体结构,显著提升了出口射流速度.最后搭建压电射流驱动器实验平台进行实际测试,验证了建立
2、模型的准确性和腔体结构改进的合理性.本文的研究为压电射流驱动器的进一步优化以及高效应用奠定了基础.关键词:压电驱动;流固耦合;合成射流;有限元仿真中图分类号:T P 文献标识码:A文章编号:X()P e r f o r m a n c eA n a l y s i sa n dI m p r o v e dD e s i g no fP i e z o e l e c t r i cJ e tA c t u a t o rB a s e do nM u l t i f i e l dC o u p l i n gS i m u l a t i o nWuH o n g c h a o,W a
3、n gW e i,S o n gL e i,W a n gQ i a n g(S c h o o l o fm e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g,J i n g d e z h e nc e r a m i cu n i v e r s i t y,J i a n g x i J i n g d e z h e n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep i e z o e l e c t r i cj e td r i v e r i sak i n do fd r i
4、v i n gd e v i c et h a tc o m b i n e sp i e z o e l e c t r i ct e c h n o l o g ya n ds y n t h e t i c j e t t e c h n o l o g y T h ed e s i r e dj e tv e l o c i t yc a nb eo b t a i n e db yo p t i m i z i n gt h ee x c i t a t i o np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r es h a p eo f t h e
5、a c t u a t o r,w h i c h i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r t h ew i d e a p p l i c a t i o no f t h ep i e z o e l e c t r i c j e t a c t u a t o r I n t h i sp a p e r,am u l t i p h y s i c a l f i e l dc o u p l i n gs i m u l a t i o nm o d e l i s f i r s t e s t a b l i s h e d
6、 f o r t h e a c t u a t o r B a s e do nt h em o d e,v o l t a g ep a r a m e t e r so f t h ea c t u a t o ra r ea n a l y z e dt oo b t a i nt h eo p t i m a lw a v e f o r mo f t h ee x c i t a t i o nv o l t a g e T h e no v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ea c t u a t o ri sr e f i n e da n d
7、at r u n c a t e do c t a h e d r a lc a v i t ys t r u c t u r ei sp r o p o s e d,w h i c hs i g n i f i c a n t l y i m p r o v e s t h eo u t l e t j e tv e l o c i t y F i n a l l y,e x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo fp i e z o e l e c t r i c f l u i d i ca c t u a t o r i sb u i l t f o
8、 ra c t u a l t e s t i n g I tv e r i f i e sa c c u r a c yo f t h em o d e l a n dr a t i o n a l i t yo f t h e i m p r o v e dc a v i t ys t r u c t u r e T h er e s e a r c hl a y sa f o u n d a t i o nf o r f u r t h e ro p t i m i z a t i o na n de f f i c i e n t a p p l i c a t i o no fp i
9、 e z o e l e c t r i c j e t a c t u a t o r K e yw o r d s:P i e z o e l e c t r i cd r i v e;F l u i ds t r u c t u r ec o u p l i n g;S y n t h e t i c j e t;F i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n基金项目:极大极小度量下机构运动综合约束误差演变机理及应用()作者简介:武鸿超(),男,(河南信阳),汉族,工学硕士,半导体材料与器件.引言压电射流驱动器是一种将压电驱动技术和合成射流技术相
10、结合的驱动装置,因其具有灵敏性高、易于控制、结构简单等优点,被广泛应用于 D打印的微滴喷射、微电子产品的封装、航天飞行器的姿态调整、发电厂液体燃料的燃烧等各大流体领域.对于压电射流驱动器来说,喷口射流速度作为其重要性能指标,研究如何通过对驱动器的激励参数和结构形状进行改进设计,获得需要的流场分布和射流速度有着重要的意义.压电射流驱动器工作过程涉及到电场、流场、结构场,是一个复杂的多场耦合问题.目前主要通过数值模拟研究压电射流驱动器喷口射流速度和相关参数对应的关系.景琬晴等研究了压电效应对多层陶瓷电容器放电性能的影响,发现其失效放电周期和电容厚度呈线性关系.阎石等建立不同振动模式下的压电驱动器力
11、学模型,发现振动模式是影响压电振子振幅的关键因素之一.以上研究针对压电陶瓷的物理特性进行建模,根据逆压电效应系统地分析了其通电后的振动规律.李斌斌等利用瞬态流场测试技术,研究合成射流驱动器的结构参数对驱动器工作性能的影响规律.罗振兵等分析了压电射流驱动器的延迟相位角的频响特性,并基于此特性建立了合成射流驱动器的全流场计算模型.L I U等利用压电射流技术开发了一种直接喷射压电空气泵,发现该类型的空气泵在输出流量和响应频率方面有着显著的改善.L I等人将声场与结构场耦合提出了一种微射流频率响应的计算方法,并分析了壳体材料对喷嘴压力的影响.以上研究对合成射流驱动器进行了建模,分析了影响驱动器工作性
12、能的关键因素,但大多只针对流场进行了系统分析,简化了压电驱动所导致的结构变形对射流器内部流场的实际影响.张立等将传统的平板式振动膜片改为活塞式的振动膜片,大幅度的提高了合成射流的出流速度.罗剑等在压电合成射流器的结构上进行参数优化设计,得到了射内燃机与配件w w w n r j p j c n流器的开口大小和腔体的厚度对射流速度的影响规律.以上研究对压电射流驱动器的结构进行优化设计,但大多采用的是二维模型,虽然可以模拟出合成射流在开口处的具体喷射过程,却并不能精确反映压电振子周期性振动和外部流场的剪切扩散等压电射流驱动器的本质特征.本文提出了一种拥有“电场”、“结构场”和“流场”三场耦合的压电
13、射流驱动器三维仿真模型.在此模型的基础上对激励电压参数进行优化,发现在压电振子的额定电压下频率为 H z的方波信号为最佳驱动信号;同时对驱动器的腔体结构做出改进设计,得到了一款拥有多个激励面的截角八面体的腔体模型,在保证驱动器的体积不增大的情况下,大幅度的提高了驱动器开口处的射流速度.最后搭建了压电射流实验测试平台,通过实验测量结果与仿真结果做对比,验证了建模过程的准确性和截角八面体结构设计的合理性.压电射流驱动器多场耦合建模 压电射流驱动器工作原理压电射流驱动器原理图如图(a)所示,由压电振子、振动膜片和空腔组成.其中压电振动膜片是压电射流驱动器的核心元件,它是由压电振子和钛片共同构成,图(
14、b)是压电振动膜片的结构图.最下方是边长为 mm,厚度为 mm的金属钛片,上方粘贴的是压电振子,由直径为 mm,厚度为 mm的压电陶瓷片和直径为 mm,厚度为 mm的黄铜片构成,其中压电陶瓷片的材料为市面上常见的锆钛酸铅(P Z T H),压电振动膜片材料相关参数如表所示.将振动膜片粘贴在腔体外壁上,当给压电振子通交流电后,压电振子形变导致振动膜片上下振动,引起空腔体积发生周期性变化.当振动膜片向内振动挤压腔体时,腔内流体通过开口向外喷出,靠近喷口处的外部流体受到喷出流体的剪切力的作用,在喷口处产生流动分离现象,向四周扩散出去;当振动膜片向外振动时,腔体体积扩大,外界流体沿着开口边缘处被吸入腔
15、体.(a)Schematic Diagram of Piezoelectric(b)Piezoelectric Vibrating Diaphragm图压电射流驱动器结构示意图表振动膜片材料参数M a t e r i a l s Y o u n g sm o d u l u s(MP a)D e n s i t y(k g/m)P o i s s o n s r a t i oP Z T H E B r a s s E T i t a n i u m E 建模的理论和计算方法压电射流驱动器的能量传递方式是通过“压电结构流体”的顺序方式实现的.当流体受到结构的变形向腔体外部喷出时,又会对结构变形
16、起着阻碍作用,同时结构的变形需要电压的维持,因此该装置是一个基于多物理场高度耦合的系统,具体耦合过程如图所示.对于压电射流驱动器内外流场模型的控制方程是连续性方程和NS方程,它包含了质量、能量、动量三大守恒定律,几乎是所有计算流体流动问题的基础.通过计算机仿真技术既可以分析结构变形对流场的影响,也可以观测到内、外流场的交换,并在整体上体现了压电射流驱动器的工作全过程.图压电射流驱动器多场耦合计算原理图在求解多场耦合时有两种方法,一种是直接法,一种是分离法.其中,直接法是利用一个大型方程组对多物理场的所有未知量进行求解,可以在同一时刻算出多个物理场的未知量,但计算过于复杂,很难实现多个变量同步收
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