壓電驅動
關注創建者：壓電振動應用研發 創建時間：2021-07-22
壓電驅動的視頻教程
ansys workbench壓電仿真-夾心式換能器入門課程
附件包括：PZT材料文檔、壓電插件、PPT、視頻中裝配體模型、仿真結果。 本課程很適合壓電驅動領域入門新生，視頻介紹很詳細，同時也適合想要掌握PZT驅動仿真的用戶，及壓電領域新入門碩博生。 大家看完請提出寶貴的意見，或者后續你希望看的視頻，新人錄制，請多多支持，謝謝大家。
￥29.9 27分鐘 443播放
查看
壓電驅動的實例教程
壓電驅動風機葉片的模擬 ￥20
壓電性——指的是發生在壓電材料結構和電場之間的耦合屬性。對壓電材料施加電壓可以使其產生位移，同時振動壓電材料可以產生電壓。
壓電耦合是一些單晶體的自然特性，如：石英、鐵電陶瓷（PZT）、壓電聚合物（PVDF）。直接的壓電耦合可以把機械能轉換為電能，而反壓電耦合則是將電能轉換為機械能。
在壓電分析中，結構場和準靜電場通過壓電常數耦合。
問題描述
一壓電驅動的風機葉片結構如下，分析其模態及在115伏60Hz下的響應。
壓電驅動風機葉片真實模型
壓電驅動風機葉片幾何模型
模態分析
設置各個部件的材料屬性，尤其壓電材料。在Engineering Data中，創建新的材料命名為“Piezo”，密度輸入為7500kg m^-3，以表格的形式輸入壓電材料的各向異性彈性模量。
對兩塊壓電晶片零件賦予Piezo材料屬性，同時在Piezo2 body頂部上建議一個y軸反轉的局部坐標系作為壓電極化方向。
設置面尺寸及體尺寸，網格劃分如下：
在分析設置明細中Options的Max Modes to Find輸入3，其余保持默認；FR4板上的兩圓孔面施加固定約束。
插入Piezoelectric Body對兩壓電晶片零件添加壓電屬性如下：
插入Voltage對下面的壓電晶片底部添加0電壓值；同時對兩壓電晶片零件的接觸面添加Voltage Coupling。
展開 壓電材料（PZT）具有正逆壓電效應，即當壓電材料受到機械變形時有產生電勢的能力；對它施加電壓時有改變壓電結構形狀的能力。此外，PZT因其測量精度高、響應速度快和性能穩定等優點在航空航天、精密測量、信息通訊和土木工程等領域發揮著重要作用。
一、PZT的本構模型
根據Zhou等人的研究，壓電材料第一種形式的本構方程為：
對于三維正交各向異性結構，其剛度系數矩陣、壓電系數矩陣、介電系數矩陣如下所示，本構方程寫成矩陣形式：
二、交流電驅動的壓電結構有限元仿真
1.應用背景簡介
以面向變體機翼應用的壓電復合結構為例，如圖1所示，變形所需的機械能由每個機翼上的三組壓電元件提供。這些驅動器沿翼展均勻分布，以實現沿翼展撓度幅值的主動控制。壓電元件除了為機翼的變形提供機械能外，還增加了整體結構的剛度，提高了承載能力。
2.有限元模型建立
將上述變體機翼進行簡化，建立圖2所示的壓電復合結構有限元模型，單位制采用m-kg-N-s。基體選用金屬矩形板，彈性模量為70GPa，泊松比為0.3，尺寸為1×0.2×0.02(m)，選擇進行C3D8R單元進行網格劃分；壓電片材料選用PZT-5，采用上述壓電本構模型，尺寸為0.1×0.1×0.01(m)。
3.邊界條件設置
邊界條件為基體板左側固定端約束，右端自由，壓電片上下表面施加5個周期的220V正弦交流電，如圖3所示。定義分析步，打開幾何非線性開關，設置步長為100s，每間隔1s輸出一組結果，采用動力學隱式求解方法。
4.計算結果
通過ABAQUS有限元計算可以得到壓電復合結構的正弦振動響應結果，如圖4所示，動態圖展示了壓電復合結構在交流電作用下動力學響應。
展開 壓電效應
壓電驅動器的工作原理是壓電效應，這是一種存在于某些被稱為壓電材料的晶體材料中的獨特物理現象。直接壓電效應包括當壓電晶體變形時沿固定方向的電極化。極化與變形成正比，并在晶體上產生電位差。另一方面，逆壓電效應與直接效應相反。它描述了施加電場時晶體中產生的變形，這是壓電驅動器運行的原理。
一種由四個三角形膜片組成的壓電 MEMS 揚聲器，利用壓電效應產生振動。在厚度方向上應用較大的比例以進行可視化。
正向和逆向壓電效應由 COMSOL 軟件的靜電 接口和固體力學 接口之間的多物理場耦合特征壓電效應 捕獲。每個物理場都包含一個專用的壓電材料模型，在固體力學 接口中命名為壓電材料，在靜電 接口中命名為電荷守恒，壓電，用于解釋壓電域中的特定本構關系。兩個物理場中的兩個壓電材料模型通過壓電效應 多物理場特性耦合。可以用應力-電荷形式或應變-電荷形式來表達應力、應變、電場和電位移場之間的關系。
壓力電荷：
應變電荷：
其中， 是應變， 是壓力， 是電場， 是電位移場。材料參數 和 對應材料的彈性和柔順性， 和 是耦合屬性， 和 是自由空間和相對介電常數。
壓電 MEMS 揚聲器教程示例演示了如何使用壓電效應 耦合特征對壓電驅動器進行建模。
壓電 MEMS 揚聲器教程中使用了壓電效應耦合特征。
當需要對來自壓電驅動器的聲輻射進行瞬態分析時，可以選擇使用間斷伽遼金（dG 或 dG-FEM）方法對壓電設備的振動和流體中的波傳播進行建模。在這種情況下，壓電波，時域顯式多物理場接口用于對驅動器進行建模，它結合了彈性波，時域顯式接口和靜電接口以及壓電效應，時域顯式 多物理場耦合。間斷伽遼金公式允許使用顯式時間步進方法解決完全耦合的問題，因此提供了一種有效的替代方法，用于模擬相對于波長的遠距離的聲音生成和傳播。
展開 問題描述：聚乙烯懸臂梁，左端固定，右端自由，懸臂梁的上、下兩個表面固定兩個PZT-4壓電體，在這兩個壓電體上輸入電載荷驅動懸臂梁變形。
文獻Haojiang Ding, Jian Liang： The fundamental solutions for transversely isotropic piezoelectricity and boundary element method給出了材料參數。極化方向為3方向，具體材料參數如下。
這些壓電材料的材料參數該如何輸入呢？我們知道壓電方程為
用Abaqus中的參數表示為
通過對比可以得到它們之間的關系，比如
其他就不在列舉。
最終計算結果如下
展開 </p><p>1)壓電驅動微泵</p><p>壓電驅動微泵是基于壓電晶體的壓電特性驅動薄膜振動從而實現泵送流體的。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202106/imgs/937ddd3003844fec8a571dd66e87989e.jpeg"></p><p>2) 靜電驅動微泵</p><p>靜電驅動是基于庫倫力的原理，在其中一個固定電極上加單一極性電壓，在另一個與泵膜相連的可動電極上加交變電壓，交替產生雙向形變，從而實現泵送功能。</p><p><br></p><p><br></p><p>3) 熱氣驅動微泵</p><p>熱氣驅動基本原理是利用加熱產生的氣體膨脹力為驅動力。熱氣驅動微泵的驅動器一般由加熱器、泵膜和密閉壓力室組成。通過加熱冷卻壓力室的氣體產生膨脹和收縮動作，推動泵膜運動。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202106/imgs/978a70505880407a8e98dac1aa2f7b89.jpeg"></p><p>4) 電磁驅動微泵</p><p>電磁驅動微泵的原理是將永磁鐵貼在泵膜上，利用線圈產生的交變磁場，使得永磁體帶動泵膜往復運動，達到泵送流體的目的。電磁驅動的優點是輸入電壓低、泵膜變形大、頻率調節方便、響應快，并且可以遠程控制。缺點是能耗高、電磁材料微加工困難、由于線圈存在難以微型化。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202106/imgs/e83820c09cf44744934d14de339e39e7.jpeg"></p><p>5) 形狀記憶合金驅動微泵</p><p><br></p><p>形狀記憶合金驅動(SMA)是利用合金隨溫度變化發生相變的特性，來提供驅動力。
展開 
壓電驅動的最新內容
一、PZT的本構模型
根據Zhou等人的研究，壓電材料第一種形式的本構方程為：
對于三維正交各向異性結構，其剛度系數矩陣、壓電系數矩陣、介電系數矩陣如下所示，本構方程寫成矩陣形式：
二、交流電驅動的壓電結構有限元仿真
1.應用背景簡介
以面向變體機翼應用的壓電復合結構為例，如圖1所示，變形所需的機械能由每個機翼上的三組壓電元件提供。
如果給粘貼于板殼結構上的壓電材料施加一定的電壓，可以達到預先設計的規律變形和動作，比如進行振動主動控制研究，從而被制備成壓電驅動器。優良的性能使得壓電纖維復合材料(MFC)集傳感器和驅動器于一身。
3.2壓電纖維復合材料的本構方程
壓電纖維復合材料是由壓電纖維和樹脂基體組成，在機械力的作用下會產生一定的變形，這是壓電材料力學行為的表現。如果變形符合小變形條件，則應力應變關系遵循彈性材料本構。
1847825
8折
ABAQUS淬火
https://www.yqgqt.org.cn/post/1864769
8折
基于ABAQUS軋制成形顯式動力學分析
https://www.yqgqt.org.cn/post/1847674
8折
壓電驅動風機葉片的模擬
2013年，哈佛大學的Ma等設計了“RoboBee”機器人，最早實現了壓電驅動的厘米尺度微飛行器的控制飛行。為了實現飛行器的小型化，研究團隊研發了專用的雙晶壓電驅動器，通過碳纖維與聚酰亞胺復合的柔性關節傳動系統，實現了微飛行器的翻滾、俯仰、偏航多自由度飛行力矩控制。
焦宗夏等[21]設計了一種壓電陶瓷驅動的滑閥，滑閥采用獨特的雙邊溢流設計，可使其作動頻率降為脈動頻率的一半。歐陽平超[22]指出單點消振效果有限，提出了分布式脈動控制方法，將多個主動消振閥布置在管路不同位置；試驗表明整個管路消振效果顯著，其消振量均可達10 dB以上。
余懷強
等
針對微波毫米波大功率“瓦片式”T/R組件等射頻微系統熱管理問題，提出了一種基于壓電驅動的主動微系統高效熱管理方法，并通過搭建試驗樣機完成原理性測試驗證．該芯片級微流道通過焊接等方式與低溫共燒陶瓷多層電路基板的微流道連通，從而實現芯片級至板級一體化主動式液冷技術．
喇叭連接到壓電驅動器組件。驅動器組件由夾在鋁前板和背板之間的壓電環組成，通過提供預應力的鋼螺栓連接在一起。傳感器通過鋼支架安裝在機器上。
支架應放置在傳感器的節點處，以獲得最佳性能。在沒有支架的情況下進行模態分析，并確定第一縱向模態。
舉例來說，壓電剪切驅動梁教學模型介紹了如何通過指定適當的基矢來對表示材料繞 Y 軸旋轉 90o 的極化方向進行模擬。
這一特征還具有更高級的用法，利用它可以創建徑向極化的（在柱坐標中）壓電圓盤或者徑向極化的（在球坐標中）中空壓電殼。
圓盤表示 PZT-5H 徑向極化方向，其中藍色箭頭表示 3rd 主方向（極化方向）。默認坐標系顯示在左下角，用來建立柱坐標系的基矢顯示在右側。
近年來，多層壓電變壓器、多層壓電驅動器、片式化壓電頻率器件等一些新型壓電器件不斷被研制，并廣泛應用于電氣、機電、電子等領域。
同時，在新型材料方面，無鉛壓電陶瓷的研制已取得了較大的突破，有可能使得無鉛壓電陶瓷在許多領域替代鋯鈦酸鉛（PZT）基的壓電陶瓷，推動綠色電子產品的升級換代。此外，壓電材料在下一代能源技術中的應用開始嶄露頭角。
壓電 MEMS 揚聲器教程示例演示了如何使用壓電效應 耦合特征對壓電驅動器進行建模。
壓電 MEMS 揚聲器教程中使用了壓電效應耦合特征。
當需要對來自壓電驅動器的聲輻射進行瞬態分析時，可以選擇使用間斷伽遼金（dG 或 dG-FEM）方法對壓電設備的振動和流體中的波傳播進行建模。
