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壓電纖維驅(qū)動型擺動式壓電泵的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

發(fā)布時(shí)間:2018-10-30 16:49
【摘要】:本文結(jié)合仿魚尾式壓電泵和壓電纖維復(fù)合材料(Macro Fiber Composite,MFC),提出了一種壓電纖維驅(qū)動型擺動式壓電泵,其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作無噪音、無回流等優(yōu)點(diǎn),在壓電泵發(fā)展以及壓電纖維的應(yīng)用方面進(jìn)行了一些嘗試性工作。本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:壓電纖維粘結(jié)鈹青銅基板形成本文所采用的驅(qū)動器。利用經(jīng)典層合板理論對壓電纖維驅(qū)動器的曲率和基板厚度、彈性模量之間的關(guān)系進(jìn)行分析;建立擺動式壓電泵的工作模型簡圖,分析擺動式壓電泵的工作原理,并推導(dǎo)其理論流量。對壓電纖維和壓電纖維驅(qū)動器進(jìn)行靜力學(xué)分析,分析壓電纖維的工作機(jī)理,得出壓電纖維驅(qū)動器最大振幅隨基板厚度的變化規(guī)律:隨著基板厚度的增加,驅(qū)動器最大振幅逐漸減小;對壓電纖維驅(qū)動器進(jìn)行模態(tài)分析,獲取其前四階振型及固有頻率,分析確定壓電纖維驅(qū)動器的一階振型適合作為擺動式壓電泵的驅(qū)動振型。搭建了壓電纖維驅(qū)動器試驗(yàn)測試系統(tǒng),對粘結(jié)不同厚度基板的壓電纖維驅(qū)動器進(jìn)行一階固有頻率和最大振幅的測定,試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著基板厚度的增加,壓電纖維驅(qū)動器的一階固有頻率逐漸增加,最大振幅逐漸下降;對一階共振頻率下壓電纖維驅(qū)動器的整體變形進(jìn)行測定,結(jié)果表明:壓電纖維驅(qū)動器的變形量從固定端到自由端逐漸增大,呈尾部翹曲狀態(tài),和仿真結(jié)果一致?傮w看來,基板材料相同時(shí),基板厚度越小,壓電纖維驅(qū)動器總體振幅越大。設(shè)計(jì)了左進(jìn)右出、左進(jìn)上出、上進(jìn)右出三種結(jié)構(gòu)形式的擺動式壓電泵,利用仿真軟件對泵內(nèi)流體和壓電纖維驅(qū)動器進(jìn)行流固耦合仿真分析,結(jié)果表明其流量分別為458 ml/min、68ml/min、263ml/min,所以左進(jìn)右出結(jié)構(gòu)形式的擺動式壓電泵性能更優(yōu),以下研究均采用左進(jìn)右出結(jié)構(gòu)形式,即進(jìn)出口位于同一條直線上,進(jìn)口在驅(qū)動器的固定端前面,出口位于驅(qū)動器自由端后面。通過0T、1/4T、2/4T、3/4T時(shí)刻的速度分布圖和速度矢量圖,對左進(jìn)右出結(jié)構(gòu)形式擺動式壓電泵的工作過程進(jìn)行重點(diǎn)分析。通過仿真研究泵出口和壓電纖維驅(qū)動器端部距離、驅(qū)動器基板厚度對擺動式壓電泵輸出流量的影響。仿真結(jié)果表明:當(dāng)泵出口和壓電纖維驅(qū)動器端部之間的距離從1mm變化到5mm時(shí),隨著兩者之間距離的增大,其輸出流量急劇下降;基板厚度從0.2mm變化到0.6mm時(shí),隨著基板厚度的增加,擺動式壓電泵的輸出流量逐漸升高。研制了擺動式壓電泵試驗(yàn)樣機(jī),搭建了壓電泵測試系統(tǒng),在保證其他參數(shù)一致的條件下,對影響擺動式壓電泵性能的五個(gè)主要參數(shù)(泵出口和驅(qū)動器端部距離、驅(qū)動器基板厚度、柔性尾長度、出口直徑、進(jìn)口直徑)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)泵出口和驅(qū)動器端部之間的距離逐漸增大時(shí),擺動式壓電泵的輸出流量急劇下降,當(dāng)距離為1mm時(shí),其輸出流量為158ml/min,當(dāng)距離增大到5mm時(shí),擺動式壓電泵的輸出流量減少為8.6ml/min,當(dāng)距離大于5mm時(shí),幾乎檢測不到流量;基板厚度從0.2mm變化到0.6mm,以0.1mm為間隔時(shí),擺動式壓電泵的輸出流量逐漸增大;當(dāng)柔性尾長度從2mm變化到6mm時(shí),擺動式壓電泵的輸出流量隨著柔性尾長度的增大先增加后減小,柔性尾長度為4mm時(shí),其流量獲得最大值321ml/min;隨著出口直徑的增大,擺動式壓電泵的流量先增大后減小,出口直徑為7mm時(shí),擺動式壓電泵的輸出性能最優(yōu),最大輸出流量為458ml/min;進(jìn)口直徑對擺動式壓電泵輸出流量的影響不明顯。
[Abstract]:In this paper, a piezoelectric fiber-driven oscillating piezoelectric pump is proposed in combination with a fish-tail piezoelectric pump and a piezoelectric fiber composite (MFC), which has the advantages of simple structure, no noise, no reflux and the like. Some tentative work has been done on the development of piezoelectric pump and the application of piezoelectric fiber. The research contents of this paper mainly include the following aspects: the piezoelectric fiber is bonded to the bronze base plate to form the driver adopted in this paper. The relation between the curvature of the piezoelectric fiber driver and the thickness and elastic modulus of the piezoelectric fiber driver is analyzed by using the classical laminated plate theory, and the working model diagram of the oscillating piezoelectric pump is established, the working principle of the oscillating piezoelectric pump is analyzed, and the theoretical flow rate is derived. Based on the statics analysis of piezoelectric fiber and piezoelectric fiber driver, the working mechanism of piezoelectric fiber is analyzed, and the change law of maximum amplitude of piezoelectric fiber driver with substrate thickness is obtained: with the increase of the thickness of the substrate, the maximum amplitude of the driver decreases gradually; Modal analysis of the piezoelectric fiber driver is carried out to obtain the first-order mode shape and the natural frequency of the piezoelectric fiber driver, and the vibration mode of the piezoelectric fiber driver is determined to be suitable as the driving mode of the oscillating piezoelectric pump. A piezoelectric fiber driver test and test system was constructed. The first order natural frequency and the maximum amplitude of the piezoelectric fiber driver bonded to different thickness substrates were measured. The experimental results show that as the thickness of the substrate increases, the natural frequency of the piezoelectric fiber driver increases gradually. The results show that the deformation of the piezoelectric fiber driver increases gradually from the fixed end to the free end, the tail warp state and the simulation result agree with each other. In general, when the substrate material is the same, the smaller the substrate thickness, the larger the overall amplitude of the piezoelectric fiber driver. In this paper, we designed a swing type piezoelectric pump with left inlet and right exit, left inlet and right outlet. The simulation software was used to analyze the flow and solid coupling of fluid and piezoelectric fiber driver in pump. The results showed that the flow rate was 458 ml/ min, 68ml/ min, 263ml/ min, respectively. Therefore, the performance of the swing piezoelectric pump in the left-right-out structure mode is better, and the following research adopts the left-in right-out structure form, namely, the inlet and the outlet are positioned on the same straight line, the inlet is in front of the fixed end of the driver, and the outlet is positioned behind the free end of the driver. Based on the velocity profile and velocity vector diagram of 0T, 1/ 4T, 2/ 4T and 3/ 4T, the working process of the swing piezoelectric pump in the left-right-out structure is analyzed. The influence of the thickness of the driver board on the output flow of the oscillating piezoelectric pump is studied by simulating the distance between the pump outlet and the end of the piezoelectric fiber driver. The simulation results show that when the distance between the pump outlet and the piezoelectric fiber driver end is changed from 1mm to 5mm, the output flow drops sharply as the distance between the pump outlet and the piezoelectric fiber driver end is changed from 0. 2mm to 0. 6mm. With the increase of the thickness of the substrate, the output flow rate of the swing piezoelectric pump is gradually increased. A test prototype of a swing piezoelectric pump was developed, and a piezoelectric pump test system was built. Five main parameters (pump outlet and driver end distance, driver substrate thickness, flexible tail length and outlet diameter) affecting the performance of the oscillating piezoelectric pump were obtained under the condition that other parameters were consistent. The inlet diameter) was tested. The test results show that when the distance between the pump outlet and the driver end gradually increases, the output flow of the swing piezoelectric pump drops sharply. When the distance is 1mm, the output flow rate is 158ml/ min. When the distance is increased to 550mm, the output flow rate of the swing piezoelectric pump is reduced to 8. 6ml/ min. when the distance is more than 5mm, the flow rate is hardly detected; the thickness of the substrate is changed from 0.2mm to 0.6mm, and the output flow rate of the swing piezoelectric pump is gradually increased when the distance is 0. 1mm; when the length of the flexible tail is changed from 2mm to 6mm, The output flow of the swing type piezoelectric pump decreases with the increase of the length of the flexible tail, and the flow rate of the swing type piezoelectric pump reaches the maximum value of 321ml/ min when the length of the flexible tail is 4mm; as the diameter of the outlet increases, the flow rate of the oscillating piezoelectric pump is reduced firstly, and the outlet diameter is 7mm, The output performance of the oscillating piezoelectric pump is optimal, the maximum output flow rate is 458ml/ min, and the influence of the inlet diameter on the output flow rate of the oscillating piezoelectric pump is not obvious.
【學(xué)位授予單位】:吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2017
【分類號】:TH38

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本文編號:2300588

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