МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Артем Савиковский

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Электроакустические преобразователи являются основными элементами электроакустических станций, используемых для обеспечении безопасности плавания судов, исследования и освоения Мирового океана, разведки полезных ископаемых, наблюдения и обнаружения подводных объектов, измерения океанографических характеристик водных масс и др. Пьезокерамические подводные электроакустические преобразователи [1] широко применяются в диапазоне звуковых и ультразвуковых волн, так как они обеспечивают наибольшую эффективность антенн в режиме приема и излучения. В целях обеспечения прочности, долговечности, герметичности и помехоустойчивости элементов электроакустического преобразователя выполнен конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния и электрического поля в пьезоэлектрическом элементе под действием стационарного и гармонического воздействия от гидростатического давления в условиях наложения на полезный сигнал различных помех (шумов моря, импульсными воздействиями, флюктуациями температуры внешней среды). Методы механики деформируемого твердого тела могут быть использованы при оптимизации формы конструкции преобразователя, выбора материалов конструкции и исследовании влияния частоты воздействия на характеристики преобразователя. В данной работе исследовался цилиндрический преобразователь с использованием пьезокерамического элемента из цирконата-титаната свинца (ЦТС-19), несущего опорного элемента из титанового сплава и применением полиуретана в качестве демпфирующего и изолирующего элемента.

Механика

Статьи

Вуз: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

ID: 5ea1a28aca23590001c7753b

UUID: 882abaf0-679a-0138-31ab-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 4 лет назад

Просмотры: 11

186.24

Артем Савиковский

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 866,8 КБ

Поделиться работой

3. Landis C.M. On the Strain Saturation Conditions for Polycrystalline Ferroelastic Materials. J. of App. Mechanics 70 (4), 2003. 470-478. 4. Landis C.M., Wang J., Sheng J. Micro-electromechanical determination of the possible remanent strain and polarization states in polycrystalline ferroelectrics and the implications for phenomenological constitutive theories. J. of intelligent material systems and structures 15 (7), 2004, 513-525. 5. Семенов А.С., Лисковски А.Ч., Ноймайстер П., Бальке Х., Ле-Захаров С.А., Додонов П.A., Мельников Б.Е. Эффективные методы решения нелинейных краевых задач сегнетоэлектроупругости. Морские Интеллектуальные Технологии. 2010. №1. c. 55-61. 6. Неклюдова Е.А. Идентификация феноменологической модели поликристаллического сегнетоэлектроупругого материала методом двухуровневой гомогенизации. Диссертация на соискание степени магистра, СПбПУ. 2015. УДК 625.855.3 А.В. Савиковский, А.С. Семенов Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Электроакустические преобразователи являются основными элементами электроакустических станций, используемых для обеспечении безопасности плавания судов, исследования и освоения Мирового океана, разведки полезных ископаемых, наблюдения и обнаружения подводных объектов, измерения океанографических характеристик водных масс и др. Пьезокерамические подводные электроакустические преобразователи [1] широко применяются в диапазоне звуковых и ультразвуковых волн, так как они обеспечивают наибольшую эффективность антенн в режиме приема и излучения. В целях обеспечения прочности, долговечности, герметичности и помехоустойчивости элементов электроакустического преобразователя выполнен конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния и электрического поля в пьезоэлектрическом элементе под действием стационарного и гармонического воздействия от гидростатического давления в условиях наложения на полезный сигнал различных помех (шумов моря, импульсными воздействиями, флюктуациями температуры внешней среды). Методы механики деформируемого твердого тела могут быть использованы при оптимизации формы конструкции преобразователя, выбора материалов конструкции и исследовании влияния частоты воздействия на характеристики преобразователя. В данной работе исследовался цилиндрический преобразователь с использованием пьезокерамического элемента из цирконата-титаната свинца (ЦТС-19), несущего опорного элемента из титанового сплава и применением полиуретана в качестве демпфирующего и изолирующего элемента. При моделировании были использованы линеаризованные определяющие уравнения пьезоэлектрического материала в виде: σ  4 CE   ε  E  3 e, (1) D3 e   ε  κ   E, где σ - тензор напряжений, 4 C E - тензор упругих модулей 4 ранга при постоянной напряженности электрического поля, ε – тензор деформаций, E – вектор напряженности, 3e – тензор пьезоэлектрических коэффициентов 3 ранга, κ  тензор диэлектрических модулей при постоянной деформации. 101

Для поляризованной вдоль 3 оси поликристаллической 4 E 3 соответствующие матричные представления C , e , κ  имеют вид: E ij C C11 C12 C13 0 0 0 C12 C11 C13 0 0 0 C C13 C33 0 0 0 ,  13 0 0 0 C44 0 0 0 0 0 0 C44 0 0 0 0 0 0 C44 0 0 0 0 e15 0 eij  0 0 0 e15 0 0 , e31 e31 e33 0 0 0 пьезокерамики 11 0  ij  0 11 0 0 0 0  33  (2) Значения используемых в расчетах параметров материалов представлены в таблице 1. Свойства пьезоэлектрика задавались на основе данных [2] для ЦТС-19. Для титанового сплава и полиуретана использовались линейно упругие модели материала. Учет вязких свойств полиуретана, а также его старение планируется выполнить на следующем этапе. Табл. 1 Материал Титан Полиуретан ЦТС-19 Модуль Юнга, МПа 11200 12 --- 3 Плотность, кг/м 4505 1250 7500 Коэффициент Пуассона 0.32 0.496 --- Краевые задачи решалась в трехмерной постановке с помощью пакета ANSYS [3]. Вследствие наличия двух плоскостей симметрии (плоскость xy и плоскость xz на рисунке 1) в конечно-элементных расчетах рассматривалась четверть конструкции. Конечно-элементная модель датчика показана на рисунке 1, где различными цветами показаны различные материалы. Для моделирования поведения опорной титановой трубки и полиуретана использовался 20узловой конечный элемент SOLID186 с 3 поступательными степенями свободы в каждом узле, для моделирования пьезоэлектрика – 20-узловой конечный элемент SOLID226 с 4 степенями свободы: 3 значениями компонент вектора перемещений и электрическим потенциалом [4] в каждом узле. В качестве механических граничных условий рассматривались:  на плоскости симметрии xz фиксировались перемещения воль оси y;  на плоскости симметрии xy фиксировались перемещения влоль оси z;  на внешнем радиусе датчика для x>0 задавалось Рис. 1. Конечно-элементная модель равномерное гидростатическое давление p=1МПа; электроакустического  на торцевом сечении титановой трубы (ymax) преобразователя. задавался запрет перемещений в плоскости сечения. В качестве электрических граничных условий [5] рассматривались:  на внутреннем радиусе цилиндрической поверхности пьезоэлектрического элемента задавалось нулевое значение электрического скалярного потенциала;  на внешнем радиусе цилиндрической поверхности пьезоэлектрического элемента задавалось условие равенства значений электрического скалярного потенциала во 102

всех узлах. Конкретное значение этого потенциала определялось в ходе решения задачи и его вычисление является одной из основных целей данного исследования. Вышеперечисленные граничные условия соответствуют решению задачи в статической постановке. При выполнении вибрационного анализа задавались амплитуда внешнего гармонического воздействия p = 0.01 МПа, а также шумы моря и вибрационное воздействие со стороны корпуса. При выполнении решения в качестве примера рассматривались 5 значений частот принимаемого полезного сигнала ω = 4, 8, 12, 16, 20 кГц. На рис. 2 и 3 представлены результаты решения задачи в статической постановке. Несимметричное приложение давления вызывает несимметрию перемещений. Разность потенциалов на электродах, наклеенных на внутреннюю и внешнюю поверхность пьезокерамического кольца, при статической нагрузке 0.05 МПа достигает 5 В. Пример расчета амплитуд перемещений и электрического потенциала при внешнем гармоническом воздействии с частотой ω = 12 кГц показан на рис. 4, 5. В целом результаты исследования указывают на достаточную прочность и помехоустойчивость рассматриваемого электроакустического преобразователя для рассмотренных условий. 8.9e-4 9.7e-4 10.e-4 Рис. 2. Распределение поля относительного перемещения |u|/Rmax в пьезоэлектрике при статическом нагружении 0 -14.9 2.8e-6 6.3e-6 Рис. 4. Распределение поля относительного перемещения |u|/Rmax в пьезоэлектрике при вибрационном воздействии ω = 10 кГц -8.26 0 3. Распределение поля электрического Рис. потенциала, [В] при статическом нагружении -3.35 -1.86 0 5. Распределение поля электрического Рис. потенциала [В] при вибрационном воздействии ω = 10 кГц 103

ЛИТЕРАТУРА: 1. Богородский В.В., Зубарев Л.А., Корепин Е.А., Якушев В.И. Подводные электроакустические преобразователи. (Расчет и проектирование): Справочник. – Л., Судостроение, 1983. – 248 с. 2. Тополов В.Ю., Панич А.Е. Электромеханические свойства сегнетопьезокерамик на основе оксидов семейства перовскита // Исследовано в России. -2008. - № 2.- с. 8-26. 3. Ansys 15.0 Documentation. 2014. SAS IP, Inc. 4. Semenov A.S., Kessler H., Liskowsky A.C., Balke H. On a vector potential formulation for 3D electromechanical finite element analysis // Communications in Numerical Methods in Engineering. 2006. V. 22. № 5. P. 357-375. 5. Stark S., Semenov A.S., Balke H. On the boundary conditions for the vector potential formulation in electrostatics // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2015. Vol. 102. № 11. P. 17041732. УДК 539.3 Е.А. Семенникова, В.С. Модестов, А.Б. Смирнов Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОБОЙНИКА С АРМИРОВАННОЙ ПЛИТОЙ Введение. Одной из важных задач механики на сегодняшний день является обеспечение безопасности конструкций при ударных воздействиях. Зачастую использование линейноупругих моделей материалов не позволяет воспроизвести реальное поведение конструкции, и возникает необходимость проводить дополнительные исследования, учитывая нелинейные свойства системы. При этом аналитически описать подобные процессы слишком сложно или невозможно. Поэтому с развитием вычислительной техники широкое распространение получили численные методы. Одним из наиболее популярных методов является метод конечных элементов (МКЭ). Прямое конечно-элементное моделирование натурного эксперимента позволяет сократить количество натурных испытаний, а также материальные и временные издержки на их проведение. Для исследования ударных воздействий на железобетон был создан международный проект IMPACT, в рамках которого был проведен ряд натурных экспериментов, описанных в [1], [4]. После проведения натурного эксперимента несколько рабочих групп попытались провести численное моделирование процесса взаимодействия пробойника с плитой, результаты были опубликованы в [1]. Этот эксперимент взят за основу данной работы. Цель работы – исследование численных подходов к решению задачи ударного воздействия на армированную плиту с учетом нелинейных физико-механических свойств бетона. Для решения задачи используется программная система конечно-элементного (КЭ) анализа Abaqus. В работе рассматривается железобетонная плита, которая подвергается ударному воздействию от горизонтально летящего деформируемого снаряда. На рисунке 1 видно, что экспериментальная кривая представляет Рис. 1. КЭ модель системы 104

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв