Соловьев Аркадий Николаевич - заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики, доктор физико-математических наук, профессор.
344000, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.
Researcher ID H-7906-2016, Scopus ID 55389991900
Rostov-on-Don.
До Тхань Бинь - аспирант кафедры теоретической и прикладной механики.
344000, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.
Rostov-on-Don.
Лесняк Ольга Николаевна - доцент кафедры теоретической и прикладной механики.
344000, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.
Rostov-on-Don.
Introduction. Transverse axisymmetric oscillations of a bimorph with two piezo-active layers, piezoelectric and piezomagnetic, are studied. This element can be applied in an energy storage device which is in an alternating magnetic field. The work objective is to study the dependence of resonance and antiresonance frequencies, and electromechanical coupling factor, on the geometric parameters of the element.
Materials and Methods. A mathematical model of the piezoelement action is a boundary value problem of linear magneto-electro-elasticity. The element consists of three layers: two piezo-active layers (PZT-4 and CoFe2O4) and a centre dead layer made of steel. The finite element method implemented in the ANSYS package is used as a method for solving a boundary value problem.
Results. A finite element model of a piezoelement in the ANSYS package is developed. Problems of determining the natural frequencies of resonance and antiresonance are solved. Graphic dependences of these frequencies and the electromechanical coupling factor on the device geometrics, the thickness and radius of the piezo-active layers, are constructed.
Discussion and Conclusions. The results obtained can be used under designing the working element of the energy storage device due to the action of an alternating magnetic field. The constructed dependences of the eigenfrequencies of the resonance and antiresonance on the geometric parameters of the piezoelement provide selecting the sizes of the piezo-active layers for a given working frequency with the highest electromechanical coupling factor.
Введение. Статья посвящена исследованию поперечных осесимметричных колебаний биморфа с двумя пьезоактивными слоями: пьезоэлектрическим и пьезомагнитным. Этот элемент может найти применение в устройстве накопления энергии, которое находится в переменном магнитном поле. Целью работы являлось исследование зависимости частот резонанса, антирезонанса и коэффициента электромеханической связи от геометрических параметров элемента.
Материалы и методы. Математической моделью работы пьезоэлемента является краевая задача линейной магнитоэлектроупругости. Элемент состоит из трех слоев: двух пьезоактивных (PZT-4 и CoFe2O4) и среднего пассивного слоя, выполненного из стали. В качестве метода решения краевой задачи используется метод конечных элементов, реализованный в пакете ANSYS.
Результаты исследования. Разработана конечно-элементная модель пьезоэлемента в пакете ANSYS. Решены задачи определения собственных частот резонанса и антирезонанса. Построены графические зависимости этих частот и коэффициента электромеханической связи в зависимости от геометрических параметров устройства — толщины и радиуса пьезоактивных слоев.
Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы в процессе конструирования рабочего элемента устройства накопления энергии за счет действия переменного магнитного поля. Построенные зависимости собственных частот резонанса и антирезонанса от геометрических параметров пьезоэлемента позволяют выбрать размеры пьезоактивных слоев для заданной рабочей частоты при наибольшем коэффициенте электромеханической связи.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.