Моделирование Составного Пьезоэлектрического Привода в Клапане

Brianne Christopher 13/05/2015
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Пьезоэлектрические клапаны открываются и закрываются с помощью составных пьезоэлектрических приводов, которые располагаются над изолирующим слоем. При подаче напряжения на составной пьезоэлектрический привод, он может расширяться или сжиматься, и результирующая (конечная, итоговая) деформация используется для открытия и закрытия клапана. В этой статье, мы расскажем о том, как моделировать составной пьезоэлектрический привод пневматического клапана в COMSOL Multiphysics 5.1

Пьезоэлектрические Клапаны и Составные Приводы

Пьезоэлектрические клапаны являются стандартным компонентом оборудования, используемого в медицинских и лабораторных исследованиях, поскольку они обладают множеством преимуществ, таких как энергоэффективность, долговечность и быстродействие. Как показано в этом описании, для того чтобы открыть и закрыть клапан, применяется сверхупругий материал с пьезоэлектрическим приводом, расположенным на его поверхности. При прикладывании напряжения к составному пьезоэлектрическому приводу, он деформируется таким образом, что либо толкает сверхупругий материал, перекрывая отверстие клапана, либо сдвигает его в сторону от отверстия, открывая клапан.

Подробная схема пьезоэлектрического клапана, привода и уплотнения.
Клапан, пьезоэлектрический привод и уплотнение.

Составные пьезоэлектрические приводы состоят из двух приводов уложенных поверх друг друга. Каждый из двух приводов изготовлен из чередующихся слоев пьезоэлектрического материала, PZT — пьезоэлектрический преобразователя, и очень тонких проводящих металлических слоев между ними. Каждый второй металлический слой заземлен, а к остальным подводится напряжение. Кроме этого, слои PZT в этом получившемся «пироге» имеют противоположные направления поляризации.

Четыре увеличенных изображения, показывающие чередующиеся слои в пьезоэлектрическом приводе и уплотнение (прокладку).
Крупный план уплотнения и привода, с выделением (подчеркиванием) чередующихся слоев пьезоэлектрического материала (PZT) и металла. На верхних изображениях выделены слои PZT с различными направлениями поляризации. Нижние рисунки показывают металлические слои с прикладываемым напряжением и слои с заземлением.

Рассматриваемый биморфный привод можно представить, как два привода, размещенных один поверх другого. Верхний и нижний приводы разработаны таким образом, что при прикладывании положительного напряжения, они будут расширяться и сжиматься в латеральном — вдоль поверхности — направлении, соответственно. Это приведет к изгибу структуры (в данном случае — диска) такому, что центр диска станет вогнутым — прогнется вниз. Как следствие, сверхупругое уплотнение прижмется к отверстию клапана, что приведет к его закрытию. На 3D-графическом изображении ниже, упругое напряжение показывается в цветовом контрасте.

Рисунок, показывающий напряжения фон Мизеса при моделировании пьезоэлектрического клапана.
Напряжения фон Мизеса в пьезоэлектрическом клапане с биморфным дисковым приводом.

Описание Моделирования Составного Пьезоэлектрического Привода в Клапане

Учебная модель «Пьезоэлектрический Клапан», новое дополнение к Галлереи Приложений среды COMSOL Multiphysics 5.1, демонстрирует каким образом смоделировать составной пьезоэлектрический биморфный дисковый привод в пневматическом клапане. Для этого моделирования используются модули MEMS и Нелинейные Конструкционные Материалы.

Модель клапана включает в себя многослойный составной пьезоэлектрический привод, который сам по себе является сложной структурой из пьезоэлектрических слоев и электродов. Модель также включает в себя подложку из нержавеющей стали и уплотнение из гиперупругого материала, закрывающего отверстие клапана.

При моделировании, на слои подается напряжение 50 вольт. Контактное давление определяется здесь в двух точках уплотнения. Можно заметить, что деформация диска возрастает по направлению к центру и, тем самым, сдавливает гиперупругое уплотнение напротив отверстия и закрывает клапан.

Графическое изображение деформации на двух контактныхповерхностях в пьезоэлектрическом клапане.
График давления в двух точках контакта с уплотнением в пьезоэлектрическом клапане.

Слева: Деформация на двух контактных поверхностях уплотнения в клапане. Можно заметить, что деформация диска возрастает по направлению к центру и закрывает клапан. Справа: Контактное давление в двух точках поверхности клапанного уплотнения.

Моделирование пьезоэлектрического клапана позволяет анализировать работу составного пьезоэлектрического привода и оценить напряжение и деформацию в уплотнении и окружающих материалах. Анализ может быть расширен для оценки качества уплотнения при различных перепадах давления, действующих на клапан в закрытом состоянии.

Попытайтесь Самостоятельно


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Трассировка частиц Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта