發(fā)布時(shí)間：2017-05-02 22:08

  本文關(guān)鍵詞：壓電泵的流固耦合仿真分析及試驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：壓電泵是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，通過(guò)改變泵腔容積而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體定向輸送的一種新型流體驅(qū)動(dòng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、體積微小、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。壓電泵可通過(guò)施加一定電壓幅值和頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出流量的精密控制，在航空航天、生物醫(yī)療、微型機(jī)械、汽車(chē)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓電泵的驅(qū)動(dòng)元件壓電振子與流體在耦合狀態(tài)下相互作用的系統(tǒng)分析比較少，因此本文提出利用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS和流體分析軟件ANSYS CFX對(duì)無(wú)閥壓電泵進(jìn)行流固耦合仿真分析，研究在流固耦合作用下壓電泵內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)和流速分布情況，為進(jìn)一步提高壓電泵的輸出性能奠定理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容如下： 1.壓電泵的研究現(xiàn)狀分析 對(duì)壓電泵的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于壓電泵的仿真分析現(xiàn)狀，基于結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS和流體分析軟件ANSYS CFX，提出對(duì)無(wú)閥壓電泵進(jìn)行流固耦合仿真分析，既可以求解在電場(chǎng)作用下因壓電振子變形而引起的流場(chǎng)變化，又可以求解變形后的流場(chǎng)對(duì)壓電振子所傳遞的反作用力使整個(gè)壓電振子所產(chǎn)生的變形量，綜合考慮了流體特性和振子的結(jié)構(gòu)特性，分析了壓電振子與流體相互耦合作用的整個(gè)過(guò)程，在有效節(jié)約分析時(shí)間和成本的同時(shí)還能保證仿真結(jié)果更接近于壓電泵工作時(shí)的真實(shí)流量規(guī)律，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壓電泵的輸出特性。 2.壓電基礎(chǔ)理論與流固耦合基礎(chǔ)理論分析 根據(jù)壓電學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，本文設(shè)計(jì)制作的壓電泵其驅(qū)動(dòng)元件選用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)，壓電振子的振動(dòng)模式采用電場(chǎng)垂直于電軸方向的長(zhǎng)度伸縮模式，壓電振子的支撐方式為簡(jiǎn)支支撐。建立了圓形雙晶片壓電振子的動(dòng)力學(xué)模型，從工作原理和數(shù)學(xué)理論兩個(gè)方面分析其自感知特性，推導(dǎo)出壓電振子執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)電壓與傳感元件的感知電壓之間的關(guān)系式。通過(guò)研究流固耦合的相關(guān)理論知識(shí)，選用分離解法來(lái)求解本文中關(guān)于無(wú)閥壓電泵的雙向流固耦合問(wèn)題，求解器選用ANSYS提供的MFX-multiple code多場(chǎng)求解器，，并對(duì)其所擁有的兩種數(shù)據(jù)傳遞插值方式進(jìn)行了對(duì)比分析，最終選取conservative插值方式來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電振子與流體區(qū)域耦合面之間數(shù)據(jù)的精確傳遞。 3.進(jìn)/出水口分布位置不同的三種無(wú)閥壓電泵的流固耦合仿真分析 為了研究壓電泵進(jìn)/出水口分布位置不同對(duì)其輸出性能所產(chǎn)生的影響，針對(duì)進(jìn)口在中間出口在一側(cè)、出口在中間進(jìn)口在一側(cè)、進(jìn)出口對(duì)稱布置這三種形式的無(wú)閥壓電泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理進(jìn)行了分析。利用ANSYS軟件建立了壓電泵的核心動(dòng)力元件壓電振子及流體區(qū)域的三維幾何模型，對(duì)壓電振子進(jìn)行了靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等一系列有限元仿真分析，并依據(jù)流體實(shí)際的工作條件，在流體分析軟件CFX中設(shè)定了其相應(yīng)的模擬類(lèi)型、邊界條件以及初始條件等屬性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)口在中間出口在一側(cè)、出口在中間進(jìn)口在一側(cè)、進(jìn)出口對(duì)稱布置這三種形式的無(wú)閥壓電泵進(jìn)行了流固耦合仿真分析，仿真結(jié)果顯示：出口在中間的壓電泵相比于另外兩種壓電泵來(lái)說(shuō)其宏觀輸出流量最大。 4.進(jìn)/出水口分布位置不同的三種壓電泵的試驗(yàn)分析 分別設(shè)計(jì)制作了進(jìn)口在中間出口在一側(cè)、出口在中間進(jìn)口在一側(cè)、進(jìn)出口對(duì)稱布置三種形式的無(wú)閥壓電泵和有閥壓電泵的試驗(yàn)樣機(jī)，并搭建了試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)其流量特性進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示： 在電壓幅值為45V的正弦交流信號(hào)激勵(lì)下，進(jìn)口在中間、出口在中間、進(jìn)出口對(duì)稱布置三種形式的無(wú)閥壓電泵的出水頻率帶寬均為0到13Hz，而且頻率范圍為0到10Hz時(shí)，三種形式壓電泵的輸出流量均隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加而增加，在10Hz頻率點(diǎn)時(shí)輸出流量均達(dá)到最大，分別為3.8ml/min、6.0ml/min和4.0ml/min；10Hz以后，三種形式壓電泵的輸出流量均隨驅(qū)動(dòng)頻率的降低而降低，并最終均減小至零。在整個(gè)泵水過(guò)程中，出口在中間的壓電泵其輸出流量最大，工作性能最好，與流固耦合仿真分析的結(jié)果相吻合。 對(duì)于進(jìn)口在中間、出口在中間、進(jìn)出口對(duì)稱布置的三種形式的有閥壓電泵，在45V正弦交流電壓激勵(lì)作用下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源頻率在0到10Hz范圍內(nèi)時(shí)，其輸出流量均隨驅(qū)動(dòng)頻率的增大而增大，10Hz以后，輸出流量均隨驅(qū)動(dòng)頻率的增大而減小，最大流量出現(xiàn)在10Hz頻率點(diǎn)左右，分別為37.0ml/min、41.1ml/min、39.8ml/min，佐證了流固耦合仿真分析得出的出口在中間的壓電泵其輸出流量最大的結(jié)論。
【關(guān)鍵詞】：壓電泵 流固耦合 仿真 有限元分析
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TH38
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目錄9-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 壓電泵的分類(lèi)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-19
• 1.2.1 壓電泵的分類(lèi)12
• 1.2.2 壓電泵的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-19
• 1.3 壓電泵仿真分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-21
• 1.4 本文的選題意義和研究的主要內(nèi)容21-23
• 第2章 圓形雙晶片壓電振子的理論分析23-33
• 2.1 壓電基礎(chǔ)理論分析23-25
• 2.1.1 壓電效應(yīng)23-24
• 2.1.2 壓電材料24
• 2.1.3 壓電陶瓷的振動(dòng)模式24-25
• 2.2 壓電泵驅(qū)動(dòng)元件的選擇與分析25-31
• 2.2.1 壓電泵驅(qū)動(dòng)元件的選取25-27
• 2.2.2 圓形壓電振子的支撐方式27
• 2.2.3 壓電振子的自感知特性27-31
• 2.3 本章小結(jié)31-33
• 第3章 壓電泵的流固耦合仿真分析33-57
• 3.1 流固耦合仿真分析基本理論33-37
• 3.1.1 壓電泵流固耦合的求解方法33-34
• 3.1.2 流固耦合分析的分類(lèi)34
• 3.1.3 ANSYS 多場(chǎng)求解器的選取34-35
• 3.1.4 壓電振子與流體域耦合面的數(shù)據(jù)傳遞35-36
• 3.1.5 網(wǎng)格映射和數(shù)據(jù)交換類(lèi)型36-37
• 3.1.6 ANSYS 流固耦合分析的設(shè)置方式37
• 3.2 壓電振子有限元模型的建立37-45
• 3.2.1 仿真相關(guān)參數(shù)39-40
• 3.2.2 幾何模型的建立及單元?jiǎng)澐?/span>40
• 3.2.3 施加載荷約束40-41
• 3.2.4 壓電振子的仿真分析41-45
• 3.3 流體有限元模型的建立45-48
• 3.3.1 流體幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分46-47
• 3.3.2 CFX 中流體仿真模型的設(shè)定47-48
• 3.4 流固耦合仿真的求解設(shè)置48-49
• 3.5 壓電泵流固耦合仿真的結(jié)果分析49-54
• 3.6 本章小結(jié)54-57
• 第4章 進(jìn)/出水口分布位置不同的壓電泵的試驗(yàn)研究57-71
• 4.1 進(jìn)/出水口分布位置不同的壓電泵的制作與測(cè)試方法57-62
• 4.1.1 壓電泵試驗(yàn)樣機(jī)的制作57-61
• 4.1.2 壓電泵輸出性能測(cè)試系統(tǒng)搭建61-62
• 4.2 對(duì)無(wú)閥壓電泵輸出流量的試驗(yàn)測(cè)試62-63
• 4.2.1 錐角對(duì)無(wú)閥壓電泵輸出流量的影響62-63
• 4.2.2 進(jìn)/出水口的位置分布對(duì)無(wú)閥壓電泵輸出流量的影響63
• 4.3 對(duì)有閥壓電泵輸出流量的試驗(yàn)測(cè)試63-70
• 4.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)有閥壓電泵輸出流量的影響63-66
• 4.3.2 進(jìn)/出水口的位置分布對(duì)有閥壓電泵輸出流量的影響66-70
• 4.4 本章小結(jié)70-71
• 第5章 結(jié)論與展望71-73
• 5.1 結(jié)論71-72
• 5.2 展望72-73
• 參考文獻(xiàn)73-76
• 作者簡(jiǎn)介76-77
• 致謝77

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：341766