Прикладная теория поперечных колебаний слоистой конструкции с полимерными матрицами и включениями из расположенных вдоль слоя пористых пьезокерамических стержней

гальванопокрытия, способов нагружения и применяемых материалов. Несмотря на значительный объем выполненных работ, задачи определения результативных конструкций пьезоэлектрических генераторов и отбора пьезоматериалов с улучшенными характеристиками для накопителей энергии остаются актуальными. Одним из наиболее перспективных путей повышения характеристик таких преобразователей является использование пьезокомпозитных материалов. Наиболее известны и глубоко изучены волокнистые пьезокомпозиты, или системы 1–3‑связности по терминологии Ньюнхема [1], в которых стержневые пьезокерамические элементы вмонтированы в упругую диэлектрическую матрицу. Среди многочисленных работ, посвящённых композитам 1–3‑связности, следует отметить [2], где рассмотрены приложения для гидрофонов; в [3] эффективные свойства вычислены решением краевых задач методом конечных элементов для элементарной ячейки с периодическими граничными условиями; в [4] соответствующие коэффициенты представлены в замкнутой форме; в [5] выведены формулы на основе асимптотического усреднения, причём сопоставление с экспериментом демонстрирует хорошее согласие. Теория гомогенизации для проектирования оптимальных пьезокомпозитов применена в [6]. В исследовании [7] также получены аналитические выражения для эффективных констант при условии, что период структуры существенно меньше длины упругих волн, и предложены новые композиты с улучшенными глобальными свойствами для биомедицинской визуализации. Анализ электроупругих композитов методами самосогласования и асимптотической гомогенизации проведён в [8]. В [9] изложена теоретическая основа для проектирования пьезокомпозитов с заданными обобщёнными характеристиками. Дополнительные сведения собраны в обзоре [10]. Композиты 1–3‑связности обеспечивают высокие значения ряда ключевых параметров, важных для приложений — коэффициента гидростатического пьезоэлектрического заряда, коэффициента гидростатического напряжения, коэффициента электромеханической связи по толщине, гидростатического показателя добротности и др.

Макроволокнистые композиты, изначально разработанные для авиационной отрасли, также успешно применяются в системах сбора энергии. Эти миниатюрные маломощные генераторы представляют собой тонкие балки и включают пьезоэлектрические волокна, размещённые в диэлектрической среде. Волокна интегрированы в единую многослойную структуру со встречно-штыревыми электродами на боковых поверхностях балок с обеих сторон. Цель исследования [11] — оценить влияние неопределённости физических свойств как пьезоэлектрических волокон, так и эпоксидной матрицы на отклик модели и выявить параметры, определяющие наибольшую вариабельность выходных данных. В работе [12] предложена потенциальная технология интеграции источников сбора энергии в сложные конструкции планера в аэрокосмической технике, позволяющая генерировать энергию, необходимую для мониторинга состояния окружающей среды или контролируемых конструктивных характеристик. Сравнительный анализ генераторов из монолитной и композитной пьезокерамики, проведённый в [13], показал высокую результативность применения макроволокнистых композитов. В статье [14] представлена разработка микрогенератора на основе микрокомпозитных пьезоэлектрических материалов для рекуперации энергии в перчаточных конструкциях. Описанные устройства состоят из пьезоэлектрических волокон диаметром 90–250 мкм, выровненных в однонаправленном порядке и встроенных в композитную структуру.

Для повышения характеристик композита 1–3‑связности возможно варьировать материалы пьезоэлектрических волокон и упругой диэлектрической матрицы. В частности, в качестве матрицы могут применяться пористые материалы с пониженным модулем Юнга и существенно изменяющимся коэффициентом Пуассона [2][14]. В [15][16] метод Мори-Танаки использован для определения эффективных модулей сперва для пористой матрицы, после чего проведён анализ композитов 1–3. При этом в [15][16] дополнительно рассматривались варианты ориентации пор относительно направления поляризации, что, однако, трудно реализовать на практике. В [2] использованы приближения метода эффективной среды, а в [17][18] на базе подходов из [2] выполнена топологическая оптимизация пористой структуры матрицы. В [19] проведено моделирование композита 0–3 с пьезоэлектрическими частицами в пористой матрице и показано, что применение пористой матрицы не приводит к улучшению электромеханических свойств системы 0–3. Вместе с тем коэффициенты пьезочувствительности в указанной работе не анализировались.

Другое направление модификации связано с использованием пористой пьезокерамики, которая в последние годы рассматривается как перспективный активный материал для устройств накопления энергии. По сравнению с плотной керамикой пористые материалы характеризуются сниженным акустическим импедансом, повышенной пьезочувствительностью и рядом высоких показателей качества. Так, в работе [20] исследован пьезоэлемент типа Розена, использующий продольный пьезомодуль. В [21] показано, что введение пористого слоя в многослойный элемент на основе титаната бария значительно улучшает характеристики при сборе пьезоэлектрической энергии. В экспериментальном исследовании [22] описан пьезогенератор, изготовленный с применением пористой керамики. В [23] дан обзор современного состояния и перспектив использования пористой пьезокерамики.

Настоящее исследование опирается на результаты [20][24] и в определённой степени объединяет подходы к внедрению пористой пьезокерамики в качестве активной фазы в волокнах композита 1–3‑связности и к варьированию материалов матриц с различной жёсткостью. Иными словами, рассматриваются пьезоэлектрические композиты 1–3, в которых в качестве пьезоактивного материала применяется пористая пьезокерамика.

Таким образом, анализ литературы показывает, что основные усилия исследователей сосредоточены на определении эффективных электроупругих свойств композитов 1–3‑связности. Разработан широкий спектр методов — от аналитических формул до детализированных численных процедур — позволяющих с высокой точностью предсказывать гомогенизированные (усреднённые) характеристики материала в зависимости от свойств составляющих фаз: волокон и матрицы. Эти сведения, безусловно, важны, однако они описывают поведение материала в целом, а не конечного конструктивного элемента, что и является целью инженерного проектирования.

Переход от эффективных свойств к анализу динамики реальных конструкций, таких как пластины и оболочки, представляет собой самостоятельную и нетривиальную задачу. Хотя для высокоточного анализа применим метод конечных элементов (МКЭ), как это реализовано во многих программных пакетах, полноразмерное трёхмерное моделирование на этапах предварительного проектирования и оптимизации часто оказывается чрезмерно ресурсоёмким. Одновременно разработка прикладных двумерных теорий (теорий пластин и оболочек), учитывающих специфику композитов 1–3‑связности (особенно при наличии пористых компонент 3–0 и 3–3‑связности), позволила бы существенно упростить и ускорить вычисления, сохранив при этом достаточную для инженерных приложений точность. В научной литературе ощущается явный дефицит таких моделей, способных выступать мостом между микромеханикой материала и макромеханикой конструкции.

Цель данной работы — построение двумерной прикладной теории расчёта поперечных колебаний слоистых пластин из пьезоэлектрического композита 1–3‑связности с последующей верификацией результатов, полученных по предложенной теории, путём сравнения с решением в конечно-элементном пакете ACELAN.

Материалы и методы Построение математической на основе линейной теории электроупругости и компьютерной модели многослойного преобразователя с поляризацией вдоль слоев осуществлено в конечно элементном пакете ACELAN. Компьютерная модель устройства далее используется для проверки адекватности разработанной прикладной теории.

Математическая модель

В работе рассматриваются модели пьезопреобразователей, состоящих из электроупругих композиционных материалов, свойства которых задаются эффективными константами [20][24]. Введем индекс j для нумерации тел и запишем уравнения и определяющие соотношения [25]:

(1)

где σ — тензор напряжений; ρ_j — плотность тела; ε — тензор деформаций; u — вектор перемещений; D — вектор электрической индукции; E— вектор напряженности электрического поля; f_j — вектор массовых сил; φ — электрический потенциал; α, β, ς, β_dj, ς_d — коэффициенты демпфирования;

, ,  — тензоры упругих констант, пьезомодулей и диэлектрических проницаемостей, индекс j отвечает номеру тела в модели.

К системе (1) добавляются соответствующие механические и электрические граничные условия. В частности, на электродах задается значение электрического потенциала φ, на неэлектродированной части поверхности условие отсутствия зарядов т.е. равенство нулю нормальной компоненты вектора электрической индукции D. В случае свободного электрода S_E потенциал V₀ на нем неизвестен и находится из дополнительного условия:

(2)

Это же условие ставится при нахождении частот антирезонанса.

Для анализа эффективности устройства используются значения выходного электрического потенциала, механические напряжения и коэффициент электромеханической связи (КЭМС), который рассчитывается по формуле:

(3)

где f_r и f_a — частоты резонанса и антирезонанса соответственно.

Расчет коэффициентов затухания при вычислении выходного потенциала на резонансных частотах проводился с использованием подхода [25], для которого предполагалось постоянное значение добротности Q на первых двух резонансных частотах:

(4)

В качестве таких резонансных частот выбираются рабочие частоты (f_r1) и следующие ближайшие к ним (f_r2). Для рассматриваемых конструкций рабочей частотой является первая изгибная мода.

При моделировании пористых композитов использовались эффективные модули, полученные для пористой пьезокерамики PZT-4 методом осреднения [20][26] в пакете ACELAN-COMPOS. Данные были получены для материалов с пористостью до 80 %. Используемые в численных экспериментах эффективные модули приведены в таблице 1.

При моделировании композита связности 1–3 (рис. 1) эффективные свойства (таблицы 2, 3) взяты из работы [24].

Конструкции слоистой пластины и конечноэлементная модель

Рассматривается пьезоэлемент представляющий собой слоистую пластину (рис. 2), в которой каждый слой является пьезокомпозитом 1–3 связности, причем пьезокерамические стержни (отмечены черными кружочками на рис. 2) выполнены из пористой пьезокерамики. Примечательно, что два симметричных относительно срединной поверхности слоя имеют встречную продольную поляризацию.

В случае, когда пьезоэлемент состоит из двух слоев, построена его конечно элементная модель. На рис. 3 а представлена геометрическая модель с двумя противоположно поляризованными слоями (красный и желтый цвета), а на рис. 3 б — сетка треугольных квадратичных конечных элементов (1350 конечных элементов, 2839 узел).

Построенная в этом пункте конечно-элементная модель использовалась при проверке адекватности прикладной теории в расчетах в следующих пунктах.

Результаты исследования

Построение прикладной теории расчета поперечных колебаний слоистой конструкции с поляризацией слоев в плоскости пластины.

Прикладная теория изгибных колебаний рассматриваемой пластины, состоящей из четырех слоев, в которой верхний и нижний слои изотропны (толщиной H с коэффициентами Ламе λ, μ), а внутренние электроупругие толщиной h строится на основе гипотез типа Кирхгоффа-Лява. Первая гипотеза заключается в равенстве нулю нормальных напряжений во всем объеме пластины σ₁₁ = 0, что позволяет выразить продольные деформации:

(5)

Вторая гипотеза показывает распределение компонент вектора перемещений и электрического потенциала имеет вид:

(6)

где UX(y, z) — прогиб срединной поверхности, x₁ = x, x₂ = y, x₃ = z.

Учет соотношений (5) и (6) в системе (1) в случае установившихся колебаний с круговой частотой ω приводит к системе уравнений относительно двух неизвестных функций Φ(y, z), UX(y, z).

(7)

Изгибающие моменты и перерезывающие силы имеют вид:

Для случая панели, состоящей из двух внутренних слоев (рис. 2 и 3 а), второе уравнение системы (7) приводится к виду:

(8)

из которого выражается электрический потенциал:

(9)

После этого первое уравнение (7) приводится к виду:

(10)

Система уравнение (7) в общем случае решается численно, тогда как уравнение (10) может быть решено аналитически.

Проверка адекватности предложенного метода на основе сравнения результатов с расчетами в пакете ACELAN

В качестве проверки применимости предложенной прикладной теории решаются две задачи для двухслойной панели: определение первой резонансной частоты изгибной моды и задача об установившихся колебаниях на частоте 200 Гц под действием равномерно распределенной нагрузки на верхней плоскости пластины с амплитудой 1000 Па. При этом длина пластины — 0,1 м, толщина каждого слоя — 0,0025 м, материал — PZT-4. Пластина закреплена на левом конце и шарнирно оперта на правом (рис. 3 а).

Собственная резонансная частота первой изгибной моды (рис. 4) в расчете в пакете ACELAN оказалась равной 1348,68 Гц, расчет по прикладной теории —1360 Гц, т.е. погрешность составляет 0,8 %.

Расчет вынужденных колебаний показал следующие результаты: на рис. 4 представлено распределение вертикальных смещений на деформированной пластине.

На рис. 5 представлены графики прогиба серединной поверхности пластины.

На рис. 6 и 7 представлены аналогичные результаты для горизонтального смещения, а на рис. 8 и 9 — для электрического потенциала.

Обсуждение. Ключевым результатом настоящей работы является прикладная двумерная теория и демонстрация высокой степени соответствия между полученными на её основе решениями и данными моделирования в конечно-элементном пакете ACELAN. Отклонение в расчёте первой резонансной частоты составило всего 0,8 %, что более чем достаточно для инженерных приложений. Визуальное и количественное сопоставление графиков прогибов, горизонтальных смещений и распределения электрического потенциала при вынужденных колебаниях также показывает их практически полное совпадение (рис. 5, 7, 9), что подтверждает адекватность предложенной модели в рассматриваемом диапазоне частот.

Основная область применения разработанной теории — низкочастотный диапазон; геометрия конструкции — тонкие пластины; диапазон вариации материальных параметров слоёв — относительно небольшой. Для более широких интервалов свойств при построении прикладной теории потребуется учитывать ломаную нормаль и использовать более высокий порядок аппроксимации характеристик механического и электрического полей по толщине конструкции.

Предложенная теория позволяет избежать ресурсоёмкого трёхмерного моделирования на этапах предварительного проектирования. Практическая значимость результатов заключается в создании эффективного и быстрого инструмента для инженеров и исследователей: вместо длительных расчётов в «тяжёлых» CAE‑пакетах могут применяться аналитические или численно‑аналитические решения уравнений (7)–(10) для оперативной оценки динамических характеристик, проведения параметрических исследований и оптимизации конструкций пьезоэлектрических преобразователей, сенсоров и устройств сбора энергии.

Заключение. В рамках исследования успешно решена задача построения и верификации прикладной двумерной теории для расчёта поперечных колебаний слоистых пластин из пьезокомпозита 1–3 связности с пористыми пьезоактивными элементами 3–0 и 3–3 связности.

Разработана математическая модель на основе гипотез Кирхгофа-Лява, описывающая динамическое поведение тонкой слоистой электроупругой пластины со встречной продольной поляризацией слоёв.

Получена система дифференциальных уравнений, которая для частного случая двухслойной панели сводится к одному уравнению, допускающему аналитическое решение.

Проведена верификация предложенной теории путём сопоставления её результатов с данными численного моделирования в конечно-элементном пакете ACELAN; погрешность в определении первой резонансной частоты не превысила 0,8 %.

Доказана адекватность теории при расчёте вынужденных колебаний: профили вертикальных и горизонтальных смещений, а также распределение электрического потенциала, вычисленные по прикладной теории, практически полностью совпали с результатами конечно‑элементного моделирования.

Таким образом, показано, что предложенная двумерная теория является эффективным и вычислительно экономичным инструментом для анализа и проектирования тонкостенных конструкций из пьезокомпозитных материалов, что позволяет существенно ускорить разработку по сравнению с использованием универсальных конечно‑элементных пакетов.

Перспективы дальнейших исследований связаны с развитием следующего уровня гомогенизации — переходом к эффективным свойствам композита 2–2 связности с последующим рассмотрением двухслойной пластины, а также с усложнением аппроксимации механических и электрических полей, включая учёт краевых эффектов. Вместе с тем при усложнении модели следует помнить, что основная практическая цель подобных теорий — расчёт выходных интегральных характеристик устройств: резонансных частот, выходного электрического потенциала, мощности и др.