Гармонічні коливання п’єзокерамічних секціонованих функціонально-градієнтних циліндрів з врахуванням дисипації енергії

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/2521-1943.2024.8.1(100).293256

Ключові слова:

секціонований п'єзокерамічний циліндр, функціонально-градієнтний матеріал, гармонійні коливання, МСЕ, затухання за Релеєм, електричний резонанс і антирезонанс

Анотація

Досліджуються гармонічні коливання п’єзокерамічних функціонально-градієнтних секціонованих порожнистих циліндрів з врахуванням дисипації енергії. Розглядається циліндр скінченної довжини, що складається з парної кількості секцій, поляризованих в коловому напрямку, які з’єднуються між собою за принципом зустрічної поляризації. Матеріал на основі п’зокераміки PZT-5A вважається функціонально неоднорідним в напрямку попередньої поляризації. Циліндр навантажується різницею потенціалів, прикладеною до плоских граней секцій. Розрахунок виконується методом скінченних елементів. Описується методика формування матриць демпфування та визначення коефіцієнтів, що відповідають частотно-незалежному демпфуванню, альфа- та бета-демпфуванню, демпфуванню за Релеєм на заданому частотному діапазоні зі сталою добротністю. Вказані способи демпфування пов’язуються з експериментальними даними через механічну добротність п’єзоелемента. Діелектричні втрати враховуються шляхом введення в розрахункові вирази тангенсу або матриці тангенсів діелектричних втрат. Проводиться порівняння розглянутих методів з результатом, отриманим за допомогою комплексних пружних та діелектричних модулів, та оцінюється їх відповідність вхідним даним.
Для функціонально-градієнтного  та однорідного п’єзоелементів заданої конфігурації будуються амплітудно-частотні характеристики для переміщень, заряду на електродах, електричного адмітансу та його логарифму з врахуванням демпфування. Для функціонально-неоднорідного циліндра визначаються частоти електричних резонансів, антирезонансів та відповідні коефіцієнти електромеханічного зв’язку. Максимальний коефіцієнт електромеханічного зв’язку виникає на частоті другого електричного резонансу.

Посилання

  1. N. A. Shulha and A. M. Bolkysev, Kolebanyia pezokeramycheskykh tel. Kyiv: Naukova dumka, 1990, 228 p.
  2. A. Y. Grigorenko, W. H. Müller and I. A. Loza, Selected Problems in the Elastodynamics of Piezoceramic Bodies. Cham: Springer Int. Publishing, 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-74199-0.
  3. V. Yanchevskyi, Nestatsionarni kolyvannia bimorfnykh elektropruzhnykh til. Kyiv: National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", 2023, 447 p.
  4. O. Leiko, N. Bogdanova, O. Bogdanov, O. Drozdenko and K. Drozdenko, “Possibilities of Controlling the Dynamic Properties of a Cylindrical Piezoceramic Acousto-electronic Device with Two-frequency Resonance Excitation”, J. Nano- Electron. Phys., vol. 12, no. 6, pp. 06003-1-06003-6, 2020. DOI: https://doi.org/10.21272/jnep.12(6).06003.
  5. S. J. Rupitsch, Piezoelectric Sensors and Actuators: Fundamentals and Applications. Berlin, Heidelberg: Springer, 2019. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-57534-5.
  6. I. F. Kirichok and O. A. Cherniushok, “Forced Vibration and Self-Heating of a Thermoviscoelastic Cylindrical Shear Compliant Shell with Piezoelectric Actuators and Sensors*”, Int. Appl. Mechanics, vol. 56, no. 6, pp. 723-731, 2020. DOI: https://doi.org/10.1007/s10778-021-01049-7.
  7. I. F. Kyrychok, Y. O. Zhuk, O. A. Chernyushok and A. P. Tarasov, “Axisymmetric Resonant Vibrations and Vibration Heating of an Inelastic Cylindrical Shell Compliant to Shear with Piezoelectric Actuators and Rigidly Fixed End Faces”, J. Math. Sci., vol. 273, no. 1, pp. 17-26, May 2023. DOI: https://doi.org/10.1007/s10958-023-06480-4.
  8. V. M. Zaika, “Metody ta zasoby proektuvannia piezokeramichnykh peretvoriuvachiv dlia kompiuternykh akustychnykh vymiriuvalnykh system”, Dysertatsiia na zdobuttia naukovoho stupenia kandydata tekhnichnykh nauk. Cherkasy, 2016.
  9. J. Kocbach, Finite element modeling of ultrasonic piezoelectric transducers; influence of geometry and material parameters on vibration, response functions and radiated field, PhD Dissertation, the University of Bergen Department of Physics, 2000.
  10. V. T. Rathod, “A Review of Electric Impedance Matching Techniques for Piezoelectric Sensors, Actuators and Transducers”, Electronics, vol. 8, no. 2, p. 169, February 2019. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics8020169.
  11. V. Dubenets, O. Savchenko and O. Derkach, “Active damping of nonstationary vibrations in a beam with electro-viscoelastic patches”, Bulletin of the Chernihiv State University of Technology, vol. 71, no. 1, pp. 44–50, January 2014.
  12. R. D. Yershov, O. V. Savchenko, A. P. Zinkovskii and O. L. Derkach, “Electronic System for Calculation-Experimental Determination of the Modal and Damping Characteristics of Active Viscoelastic Beams”, in 2020 IEEE 40th Int. Conf. Electron. Nanotechnol. (ELNANO), Kyiv, Ukraine, 22–24 April 2020. IEEE, 2020, pp. 858-863. DOI: https://doi.org/10.1109/elnano50318.2020.9088927.
  13. J. Li, Y. Xue, F. Li and Y. Narita, “Active vibration control of functionally graded piezoelectric material plate”, Composite Struct., vol. 207, pp. 509–518, January 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.09.053.
  14. V. G. Karnaukhov, I. F. Kirichok and V. I. Kozlov, “Thermomechanics of Inelastic Thin-Walled Structural Members with Piezoelectric Sensors and Actuators Under Harmonic Loading (Review)”, Int. Appl. Mechanics, vol. 53, no. 1, pp. 6–58, January 2017. DOI: https://doi.org/10.1007/s10778-017-0789-3.
  15. I. A. Guz, Y. A. Zhuk and C. M. Sands, “Analysis of the vibrationally induced dissipative heating of thin-wall structures containing piezoactive layers”, Int. J. Non-Linear Mechanics, vol. 47, no. 2, pp. 105–116, March 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2011.03.004.
  16. M. Kryshchuk and O. Ishchenko, “Safety margin determination of the nuclear power plant reactor pressure vessel with taking into account warm pre-stress effect”, Mechanics Adv. Technol., vol. 6, no. 3, pp. 246-253, Dec. 2022. DOI: https://doi.org/10.20535/2521-1943.2022.6.3.268515.
  17. K. Rudakov, “Procedure of the updated calculations of disks of aero-engines with removable blades a finite element method in three-dimensional statement in the environment of Femap/Nastran”, Mechanics Adv. Technol., vol. 5, no. 1, pp. 22–32, Jun. 2021. DOI: https://doi.org/10.20535/2521-1943.2021.5.1.226931.
  18. O. Krivenko, Y. Vorona and A. Kozak, “Finite element analysis of nonlinear deformation, stability and vibrations of elastic thin-walled structures”, Strength Mater. Theory Struct., no. 107, pp. 20–34, Oct. 2021. DOI: https://doi.org/10.32347/2410-2547.2021.107.20-34.
  19. M. O. Shulha and V. L. Karlash, Rezonansni elektromekhanichni kolyvannia piezoelektrychnykh plastyn. Kyiv: Naukova dumka, 2008, 271 p.
  20. K. Uchino, Y. Zhuang and S. O. Ural, “Loss determination methodology for a piezoelectric ceramic: new phenomenological theory and experimental proposals”, J. adv. dielectrics, vol. 01, no. 01, pp. 17–31, January 2011. DOI: https://doi.org/10.1142/s2010135x11000033.

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-03-29

Як цитувати

[1]
Л. Григор’єва і І. Янчевський, «Гармонічні коливання п’єзокерамічних секціонованих функціонально-градієнтних циліндрів з врахуванням дисипації енергії», Mech. Adv. Technol., т. 8, вип. 1(100), с. 98–107, Бер 2024.

Номер

Том 8 № 1(100) (2024)

Розділ

Механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Людмила Григор'єва, Ігор Янчевський

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з такими умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.

  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.