Исследование методик определения констант поляризованной пьезокерамики (часть II)

Введение. Статья посвящена определению полного набора всех десяти электроупругих модулей поляризованной керамики, который необходим для анализа работы пьезокерамических чувствительных элементов различных приборов при численном решении краевых задач методом конечных элементов. Целью данной работы является создание нового метода определения констант пьезокерамических материалов, основанного на измерении частот резонансов и первых низкочастотных антирезонансных частот только на одном образце в виде кольца. Материалы и методы. Предложен новый метод определения полного набора упругих, пьезоэлектрических, диэлектрических модулей поляризованной пьезокерамики. При этом используется только один образец. Метод определения констант керамики основан на измерении резонансных частот и первого низкочастотного антирезонанса для элемента в виде кольца с осевой поляризацией. Первые семь констант, кроме сдвиговых, измеряют для кольца с электродами на торцах. Сдвиговые модули измеряют на том же кольце, но с новыми электродами на боковых цилиндрических поверхностях. Старые электроды на торцах удаляются. Для проверки корректности методики используется программа ANSYS , реализующая метод конечных элементов. Результаты исследования. Для пьезокерамики PZT 4 приведен полный набор констант, определенных новым методом - с использованием только одного образца. Погрешность определения констант, как правило, не превышает 1 Обсуждение и заключения. В работе приведены результаты исследований нового обоснованного численного метода и алгоритма определения полного набора совместимых материальных констант пьезокерамики на одном образце в виде кольца с различными электродами. Главное достоинство данного метода - для определения полного набора модулей пьезокерамики используется только один образец. В других методах измеренные модули пьезокерамики не являются совместимыми в силу того, что частоты резонансов и антирезонансов измеряются на трех различных по геометрии и степени поляризации образцах.

пьезоэлектрическая керамика, определение полного набора констант, метод резонанса , антирезонанса, кольцо, метод конечных элементов, программа ANSYS, метод возмущений, piezoelectric ceramics, definition of full set of constants, resonance , antiresonance method, ring, finite element method, ANSYS program, perturbation approach

1. Материалы пьезокерамические. Технические условия. ОСТ 11.0444-87 / Центральный государственный фонд стандартов и технических условий. - Москва : Электростандарт, 1987. - 141 с.

2. IRE standards on piezoelectric crystals, measurements of piezoelectric ceramics / IRE. - Proceedings of the IRE. - 1961. - Vol. 49, is. 7. - P. 1162.

3. Мадорский, В. В. Исследование методик определения констант поляризованной пьезокерамики / В. В. Мадорский, В. Н. Митько // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2014. - Т. 14, № 2 (77). - С. 36-45.

4. Definition of constants for piezoceramic materials / V. A. Akopyan [et al.]. - New York : Nova Science Publisher, 2010. - 205 p.

5. Tickoo, S. ANSYS Workbench 14.0. A Tutorial Approach / S. Tickoo. - Schererville : CADCIM Technologies, 2012.- 416 p.

6. Tiersten, H.-F. Linear piezoelectric plate vibration / H.-F.-Tiersten. - New York : Plenum press, 1969. - 211 p.

7. Мадорский, В. В. Симметричные колебания пьезоэлектрических пластин / В. В. Мадорский, Ю. А. Устинов // Изв. АН Арм. ССР. - 1976. - Т. 29, № 5. - С. 51-58.

8. Analysis of 1-3 piezocomposite and homogeneous piezoelectric rings for power ultrasonic transducers / M.A.B. Andrade [et al.] // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences. - 2009. - Vol. 31, № 4. - P. 312-318.

9. Митько, В. Н. Математическое моделирование физических процессов в пьезоэлектрическом приборостроении / В. Н. Митько, Ю. А. Крамаров, А. А. Панич. - Ростов-на-Дону : Изд-во ЮФУ, 2009. - 240 с.

10. Shaw, E. A. G. On the resonant vibrations of thick barium titanate disks / E. A. G. Shaw // Journal of the Acoustical Society of America. - 1956. - Vol. 20, № 1. - P. 38-50.

11. Шарапов, В. М. Пьезоэлектрические датчики / В. М. Шарапов, М. И. Мусиенко, Е. В. Шарапова. - Москва : Техносфера, 2006. - 632 с.

12. Мадорский, В. В. Построение системы однородных решений и анализ корней дисперсионного уравнения антисимметричных колебаний пьезоэлектрической плиты / В. В. Мадорский, Ю. А. Устинов // Прикладная механика и техническая физика. - 1976. - № 6. - С. 138-145.

13. Васильев, А. Н. МATLAB. Практический подход / А. Н. Васильев. - Москва : Наука и техника, 2015. - 448 с.