基于多场耦合模拟的压电射流驱动器性能分析和改进设计.pdf

年第 期基于多场耦合模拟的压电射流驱动器性能分析和改进设计武鸿超,汪伟,宋磊,王强(景德镇陶瓷大学机械电子工程学院,江西 景德镇 )摘要:压电射流驱动器是一种将压电技术和合成射流技术相结合的驱动装置,对驱动器的激励参数和结构形状进行优化和改进设计,获得需要的射流速度,对于压电射流驱动器的广泛应用有着重要意义.本文首先建立了电场、结构场和流场等多物理场耦合的压电射流驱动器三维仿真模型,在此基础上对驱动器的电压参数进行优化分析,得到激励电压的最优波形,接着对驱动器的总体结构进行改进设计,提出一种截角八面体式的腔体结构,显著提升了出口射流速度.最后搭建压电射流驱动器实验平台进行实际测试,验证了建立模型的准确性和腔体结构改进的合理性.本文的研究为压电射流驱动器的进一步优化以及高效应用奠定了基础.关键词:压电驱动;流固耦合;合成射流;有限元仿真中图分类号:T P 文献标识码:A文章编号:X()P e r f o r m a n c eA n a l y s i sa n dI m p r o v e dD e s i g no fP i e z o e l e c t r i cJ e tA c t u a t o rB a s e do nM u l t i f i e l dC o u p l i n gS i m u l a t i o nWuH o n g c h a o,W a n gW e i,S o n gL e i,W a n gQ i a n g(S c h o o l o fm e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g,J i n g d e z h e nc e r a m i cu n i v e r s i t y,J i a n g x i J i n g d e z h e n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep i e z o e l e c t r i cj e td r i v e r i sak i n do fd r i v i n gd e v i c et h a tc o m b i n e sp i e z o e l e c t r i ct e c h n o l o g ya n ds y n t h e t i c j e t t e c h n o l o g y T h ed e s i r e dj e tv e l o c i t yc a nb eo b t a i n e db yo p t i m i z i n gt h ee x c i t a t i o np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r es h a p eo f t h e a c t u a t o r,w h i c h i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r t h ew i d e a p p l i c a t i o no f t h ep i e z o e l e c t r i c j e t a c t u a t o r I n t h i sp a p e r,am u l t i p h y s i c a l f i e l dc o u p l i n gs i m u l a t i o nm o d e l i s f i r s t e s t a b l i s h e d f o r t h e a c t u a t o r B a s e do nt h em o d e,v o l t a g ep a r a m e t e r so f t h ea c t u a t o ra r ea n a l y z e dt oo b t a i nt h eo p t i m a lw a v e f o r mo f t h ee x c i t a t i o nv o l t a g e T h e no v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ea c t u a t o ri sr e f i n e da n dat r u n c a t e do c t a h e d r a lc a v i t ys t r u c t u r ei sp r o p o s e d,w h i c hs i g n i f i c a n t l y i m p r o v e s t h eo u t l e t j e tv e l o c i t y F i n a l l y,e x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo fp i e z o e l e c t r i c f l u i d i ca c t u a t o r i sb u i l t f o ra c t u a l t e s t i n g I tv e r i f i e sa c c u r a c yo f t h em o d e l a n dr a t i o n a l i t yo f t h e i m p r o v e dc a v i t ys t r u c t u r e T h er e s e a r c hl a y sa f o u n d a t i o nf o r f u r t h e ro p t i m i z a t i o na n de f f i c i e n t a p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i c j e t a c t u a t o r K e yw o r d s:P i e z o e l e c t r i cd r i v e;F l u i ds t r u c t u r ec o u p l i n g;S y n t h e t i c j e t;F i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n基金项目:极大极小度量下机构运动综合约束误差演变机理及应用()作者简介:武鸿超(),男,(河南信阳),汉族,工学硕士,半导体材料与器件.引言压电射流驱动器是一种将压电驱动技术和合成射流技术相结合的驱动装置,因其具有灵敏性高、易于控制、结构简单等优点,被广泛应用于 D打印的微滴喷射、微电子产品的封装、航天飞行器的姿态调整、发电厂液体燃料的燃烧等各大流体领域.对于压电射流驱动器来说,喷口射流速度作为其重要性能指标,研究如何通过对驱动器的激励参数和结构形状进行改进设计,获得需要的流场分布和射流速度有着重要的意义.压电射流驱动器工作过程涉及到电场、流场、结构场,是一个复杂的多场耦合问题.目前主要通过数值模拟研究压电射流驱动器喷口射流速度和相关参数对应的关系.景琬晴等研究了压电效应对多层陶瓷电容器放电性能的影响,发现其失效放电周期和电容厚度呈线性关系.阎石等建立不同振动模式下的压电驱动器力学模型,发现振动模式是影响压电振子振幅的关键因素之一.以上研究针对压电陶瓷的物理特性进行建模,根据逆压电效应系统地分析了其通电后的振动规律.李斌斌等利用瞬态流场测试技术,研究合成射流驱动器的结构参数对驱动器工作性能的影响规律.罗振兵等分析了压电射流驱动器的延迟相位角的频响特性,并基于此特性建立了合成射流驱动器的全流场计算模型.L I U等利用压电射流技术开发了一种直接喷射压电空气泵,发现该类型的空气泵在输出流量和响应频率方面有着显著的改善.L I等人将声场与结构场耦合提出了一种微射流频率响应的计算方法,并分析了壳体材料对喷嘴压力的影响.以上研究对合成射流驱动器进行了建模,分析了影响驱动器工作性能的关键因素,但大多只针对流场进行了系统分析,简化了压电驱动所导致的结构变形对射流器内部流场的实际影响.张立等将传统的平板式振动膜片改为活塞式的振动膜片,大幅度的提高了合成射流的出流速度.罗剑等在压电合成射流器的结构上进行参数优化设计,得到了射内燃机与配件w w w n r j p j c n流器的开口大小和腔体的厚度对射流速度的影响规律.以上研究对压电射流驱动器的结构进行优化设计,但大多采用的是二维模型,虽然可以模拟出合成射流在开口处的具体喷射过程,却并不能精确反映压电振子周期性振动和外部流场的剪切扩散等压电射流驱动器的本质特征.本文提出了一种拥有“电场”、“结构场”和“流场”三场耦合的压电射流驱动器三维仿真模型.在此模型的基础上对激励电压参数进行优化,发现在压电振子的额定电压下频率为 H z的方波信号为最佳驱动信号;同时对驱动器的腔体结构做出改进设计,得到了一款拥有多个激励面的截角八面体的腔体模型,在保证驱动器的体积不增大的情况下,大幅度的提高了驱动器开口处的射流速度.最后搭建了压电射流实验测试平台,通过实验测量结果与仿真结果做对比,验证了建模过程的准确性和截角八面体结构设计的合理性.压电射流驱动器多场耦合建模 压电射流驱动器工作原理压电射流驱动器原理图如图(a)所示,由压电振子、振动膜片和空腔组成.其中压电振动膜片是压电射流驱动器的核心元件,它是由压电振子和钛片共同构成,图(b)是压电振动膜片的结构图.最下方是边长为 mm,厚度为 mm的金属钛片,上方粘贴的是压电振子,由直径为 mm,厚度为 mm的压电陶瓷片和直径为 mm,厚度为 mm的黄铜片构成,其中压电陶瓷片的材料为市面上常见的锆钛酸铅(P Z T H),压电振动膜片材料相关参数如表所示.将振动膜片粘贴在腔体外壁上,当给压电振子通交流电后,压电振子形变导致振动膜片上下振动,引起空腔体积发生周期性变化.当振动膜片向内振动挤压腔体时,腔内流体通过开口向外喷出,靠近喷口处的外部流体受到喷出流体的剪切力的作用,在喷口处产生流动分离现象,向四周扩散出去;当振动膜片向外振动时,腔体体积扩大,外界流体沿着开口边缘处被吸入腔体.(a)Schematic Diagram of Piezoelectric(b)Piezoelectric Vibrating Diaphragm图压电射流驱动器结构示意图表振动膜片材料参数M a t e r i a l s Y o u n g sm o d u l u s(MP a)D e n s i t y(k g/m)P o i s s o n s r a t i oP Z T H E B r a s s E T i t a n i u m E 建模的理论和计算方法压电射流驱动器的能量传递方式是通过“压电结构流体”的顺序方式实现的.当流体受到结构的变形向腔体外部喷出时,又会对结构变形起着阻碍作用,同时结构的变形需要电压的维持,因此该装置是一个基于多物理场高度耦合的系统,具体耦合过程如图所示.对于压电射流驱动器内外流场模型的控制方程是连续性方程和NS方程,它包含了质量、能量、动量三大守恒定律,几乎是所有计算流体流动问题的基础.通过计算机仿真技术既可以分析结构变形对流场的影响,也可以观测到内、外流场的交换,并在整体上体现了压电射流驱动器的工作全过程.图压电射流驱动器多场耦合计算原理图在求解多场耦合时有两种方法,一种是直接法,一种是分离法.其中,直接法是利用一个大型方程组对多物理场的所有未知量进行求解,可以在同一时刻算出多个物理场的未知量,但计算过于复杂,很难实现多个变量同步收敛,所以很少使用.相比较而言,分离法不会一次求解所有变量,而是按照事先设置好的物理场进行分布求解,在本文中使用分离法先计算电场对振动膜片引起的形变,再计算振动膜片形变量对流场的影响,最后计算流场的变化对膜片变形的影响,直至求解结束.虽然分离法不能同步求解,但简化了计算要求,减少了计算时间,目前在进行多物理场仿真时被普遍使用.建立计算模型压电射流驱动器实物模型如图所示,它是由驱动器腔体框架和表面粘贴压电振子的金属钛片组成.其中框架的长宽高都为 mm,壁厚为 mm,开口在非振动膜片所在平面的几何中心,直径为 mm,模型的所连接方式均采用密封胶粘贴.采用有限元的方法分析振动膜片受到激励电压后变形对 腔 体 内 部 流 场 的 影 响,建 立 三 维 等 效 模 型,导 入C OM S O LM u l t i p h y s i c s软件中,并进行网格化设置如图所示.流体域分为两部分即腔体内部流场以及腔体的外部流场,属性均为空气.图压电射流驱动器模型整个模型固体域采用自由四面体网格划分,流体域采用较为细化的四面体网格划分,且使用动网格的算法去定义该部分网格可以更好地体现流体的连续性,同时在求解中勾选自动重新划分网格,更加清晰的反映内外流场的交换过程.年第 期为了能让振动膜片在施加相同激励电压后同时产生挤压或扩张腔体体积地效果,通过使用旋转坐标系的方法改变压电振子的极化方向,使压电振子在施加同一激励电压后,五个面的振动膜片同时挤压或扩张腔体体积.外流场区域边界条件设为开放边界,其余边界条件均设为无滑移边界.(a)F r a m e(b)F l u i dD o m a i n图驱动器模型与网格划分电压参数优化和结构的改进设计 激励电压的参数优化压电振动膜片的中心最大振幅是影响压电射流驱动器工作性能的关键因素,根据逆压电效应可知,在确定材料之后决定振动膜片形变的主要因素之一就是激励电压.因此,有必要对激励电压参数进行优化,使振动膜片达到最大振幅.由于本文所采用的压电材料额定电压为 V,为了保证压电材料不被击穿,本文所采用的激励电压峰峰值为 V.同时激励电压的波形对振动膜片最大振幅也有影响,使用不同波形的电压作为激励信号,通过对比寻找激励信号的最佳波形.压电振动膜片振动的条件是给压电片施加周期性交变电压,常见的信号发生器输出电压的波形有:正弦波、三角波和方波,其傅里叶变换后的一般表达式为:f(w t)AkBks i n(k w t)kCkc o s(k w t)()正弦波表达式为:Ui nUms i n(w t)()方波表达式:Ui nUms i n(w t)s i n(w t)s i n(w t)s i n(w t)()三角波表达式:Ui nUms i n(w t)s i n(w t)s i n(w t)s i n(w t)()其中为A常数、Bk为正弦分量系数、Ck为余弦分量系数、为频率系数、Um为激励电压幅值.从表达式中可以看出当三种信号电压峰峰值保持一致的情况下,方波电压的输入信号有效值最大,在相同电路中对外转化的机械能也相对最高.在有限元软件中进行建模仿真,分别用以上三种波形当激励信号源施加在压电陶瓷上表面,黄铜片上表面接地,激励电压峰峰值为 V,频率为 H z,振幅情况如图所示.其中黑色、红色、蓝色曲线分别对应的是三角波、方波、正弦波信号下振动膜片几何中心在轴向方向上的位移.通过比较三种信号下的中心位移,发现在方波信号下使振动膜片产生的位移最大,三角波产生的振幅最小,这与三种信号表达式的有效值相吻合,因此在实验条件允许的情况下输入的电压信号尽可能选用方波信号以使得振动膜片振幅达到最大.图振动膜片几何中心位移图为了使压电射流驱动器的工作状态达到最佳,除激励信号的波形外,信号的频率也是影响的关键因素.根据压电振子模态分析可知,一阶模态的振型为振动膜片的最佳驱动振型.因此,为了保证压电振子工作在一阶振型下,在进行对激励电压频率设置时,不能超过压电振子的一阶谐振频率.考虑到压电射流驱动器工作时需要将振动膜片粘贴在腔体框架上,腔体框架和振动膜片之间的粘贴工艺会对驱动器的谐振频率造成影响,故对驱动器整体进行特征频率分析.如图所示,驱动器的特征频率在 H z附近,为了使振动膜片产生最大振幅,故将激励电压的频率设为 H z.图驱动器特征频率图 仿真模拟经过上一节对激励电压参数优化之后,在进行仿真时,使用电压峰峰值为 V、频率为 H z的方波信号作为激励电压.求解时使用瞬态研究类型中的向后差分公式法精确时间步进,迭代计算精度要小于先对容差的千分之一,时间步长为T/,每个时间步长经过 次迭代内燃机与配件w w w n r j p j c n计算之后收敛,总的仿真时间至少为个振动周期,以保证各项数据参数达到动态稳定.图是通电后驱动器结构的变形以及该状态下的流场分布.图(a)为压电振子通电后振动膜片向外扩招,此时流场分布如图(c)所示,流线的箭头方向代表流体方向,当振动膜片外扩时,流体是从外部沿着开口四周吸入到腔体内部;图(b)为压电振子通电后振动膜片向内收缩,此时流场分布如图(d)所示,流体从开口处向外喷出.图形变与流场分布关系体现压电射流驱动器工作效率的重要指标之一是开口处流体喷出时的速度,图为一个周期内开口处流场速度变化趋势.其中(a)、(b)为前半个周期对应的速度矢量图,此时矢量箭头向下代表着驱动器处于吸气阶段,在前四分之一个周期时速度达到 m/s,随着时间过半时速度逐渐减小到 m/s.图中的(c)、(d)图为驱动器工作后半个周期对应的速度矢量图,此时矢量箭头向上表示驱动器处于喷气状态,当时间为四分之三个周期时,喷气速度达到 m/s如图中(c)图所示,随后速度逐渐减小,当时间为一个周期时,喷气速度为 m/s.随着驱动器周期性工作,射流交替抽吸,流体不断向外迁移,直至与周围空气融合.(a)T/4(b)T/2(c)3T/4(d)T图开口处流场速度矢量图与图相对应,图为驱动器开口截面速度云图,可以更加直观的反映出驱动器处于工作状态时开口处的流场分布.当驱动器处于吸气阶段时,速度云图分布出现圆环状,开口边缘处速度比开口中心处速度大,如图中的(a)、(b)所示.当驱动器处于喷气状态时,速度云图分布如图中的(c)、(d)所示,随着远离开口中心位置速度逐渐减小,靠近腔体壁处速度为零.通过比对可知,流体流出时是集中喷出,而流入时是沿着开口边缘处分散吸入,正是这种现象使压电射流驱动器产生了驱动力.(a)T/4(b)T/2(c)3T/4(d)T图开口处截面速度云图 压电射流驱动器结构改进设计在设计压电射流驱动器时,除激励电压参数之外,还应考虑驱动器腔体的结构对流场的影响.其中,结构参数包括腔体的体积和形状、开口的尺寸以及振动膜片的尺寸.本文根据压电射流驱动器内部特殊的流场分布,对其腔体进行了改进设计.通过观察图中的(c)和(d)图,当振动膜片振动时,驱动器的棱角处存在大量流线,说明腔体内部的流体大部分滞留在此,无法从驱动器开口处喷出;同时粘贴在腔体上的五个振动膜片中有四个是两两相对的,当振动膜片工作时,这两对振动膜片附近的气流会产生相互抵消的效果,减小驱动器内部流场的流速.上述因素都会影响驱动器的工作性能,为了减小棱角处流体滞留现象,以及互为对立面的振动膜片抵消作用带来的不利影响,本文设计了一款截角八面体的腔体.它是由个正六边形和个正方形组成,如图 所示.图 截角八面体驱动器模型在八面 体 的 六 边 形 区 域 贴 上 边 长 mm,厚 度 为 mm的振动膜片,腔体和振动膜片的材料和前文模型一致.在软件中进行了仿真模拟,表为优化前后性能相关参数的对比.结果表明,优化前后振动膜片中心振幅相差不 大,但 开 口 处 速 度 优 化 后 的 模 型 有 了 显 著 的提升.年第 期表改进前后驱动器性能参数对比T y p eV e l o c i t y(m/s)C e n t r a l a m p l i t u d e(u m)S a m p l i n gf r e q u e n c y(H z)C u b e O c t a h e d r o n 实验验证经过上文的仿真测试,压电射流驱动器参数已经有了初步的设计,为了检验压电射流驱动器实际工作性能,对其进行实验测试,实验测试平台如图 所示.首先由信号发射器产生方波电压,产生方波电压的峰峰值经功率放大器放大至 V供给压电振子,压电振子通电后使振动膜片发生形变,使腔体体积周期性变化产生射流.由激光测振仪测得振动膜片表面振幅,经测振仪采集卡传输给p c端,同时将热线风速仪的探针置于开口 mm处,检测驱动器开口处实际流速.图 压电射流驱动器测试系统当实验系统稳定输出后,对开口处流速进行实验数据采集,并将采集的数据与仿真结果作对比如图 所示.其中红色曲线代表实验值,黑色曲线为仿真值.从图中可以看出实验测量值和仿真模拟值变化趋势一致,但实验值的结果略小于仿真值,主要是由于仿真模拟是在理想的环境再进行的,没有考虑流体的重力,并且在实验测量时,热线风速仪的探针在距离驱动器开口 mm处,而仿真结果是开口中心处的速度.同时实验结果进一步证明了结构改进后的截角八面体腔体开口处流速增加,预示着驱动器性能有着大幅度的提高.图 仿真值与实验值的速度对比结论()本文建立了一种将电场、结构场、流场三者耦合的压电射流驱动器三维模型,该模型可以准确的模拟出驱动器的具体工作过程,并且可以捕捉到开口处复杂的气流现象.()在模型的基础上通过对激励电压的优化,结果表明在峰峰值为 V交流电压下,方波信号为激励电压的最佳波形,驱动器最佳工作频率为 H z.()通过对驱动器腔体进行改进设计,提出了一种截角八面体式的腔体结构并与原驱动器的性能参数作对比,证明了改进后的截角八面体式的腔体设计可以大幅度提高开口处的射流速度.()搭建实验平台,进一步验证了建模过程的准确性和证实了结构改进后的压电射流驱动器工作性能显著提高,使其在飞行器姿态调整等流场的主动控制方面应用更加广泛.参考文献:景琬晴,汪庆,冉汉政压电效应对多层陶瓷电容器放电性能的影响J压电与声光,():王秋婧,阎石,梁丽娉压电陶瓷驱动力学模型及数值分析A第二十三届全国振动与噪声控制学术会议论文集C :李斌斌合成射流及在主动流动控制中的应用D南京:南京航空航天大学博士学位论文,罗振兵合成射流/合成双射流机理及其在射流矢量控制和微泵中的应用研究D长沙:国防科学技术大学博士学位论文,L I UXQ,D ON 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