izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-10-41-48izmertech-2212Research ArticleМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯMECHANICAL MEASUREMENTSЭлектромеханическая математическая модель криволинейного крутильно-изгибного пьезоэлектрического актюатораElectromechanical mathematical model of curvilinear torsional-bending piezoelectric actuatorhttps://orcid.org/0000-0001-8477-5206ПаньковА. А.Pan’kovA. A.

Андрей Анатольевич Паньков, д.ф.-м.н., профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ

Пермь

Аndrey A. Pan’kov

Perm

a_a_pankov@mail.ruПермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияPerm National Research Polytechnic UniversityRussian Federation2024051220240104148Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20242024ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2212

Дан краткий обзор различных пьезоэлектрических актюаторов – электромеханических преобразователей электрических сигналов в перемещение. Разработана электромехническая математическая модель пьезоэлектрического крутильно-изгибного TorsBC-актюатора в виде криволинейного двухслойного биморфа кручения из двух плёночных пьезоэлектрических IncIDE-актюаторов с ориентационными углами ±π/4 встречно-штыревых электродов. Рабочий изгиб TorsBC-актюатора в поперечной плоскости осуществляется через управляемое пьезоэлектрическое закручивание вокруг продольной криволинейной оси. Крутящий момент обусловлен пьезоэлектрическими напряжениями растяжения или сжатия под углами ±π/4 к продольной оси в слоях биморфа. Полярность приложенного к выходам электродов управляющего электрического напряжения определяет знак пьезоэлектрических напряжений (растяжение или сжатие в направлениях ±π/4) слоёв биморфа кручения и, соответственно, направления закручивания и результирующего поперечного изгиба TorsBC-актюатора. Получены аналитические решения и проведён численный анализ прогиба, угла закручивания и блокирующей силы на свободном торце консоли дугообразного TorsBC-актюатора в зависимости от его геометрических и электромеханических параметров, в частности, кривизны его продольной оси. Результаты актуальны при проектировании датчиков и актюаторов изгибного типа, элементов микроэлектромеханических систем, шаговых двигателей, микрозахватов и манипуляторов для сборки микромасштабных объектов.

A brief overview of various piezoelectric actuators - electromechanical converters of electrical signals of the power source into movement is given. An electromechanical mathematical model of a piezoelectric torsional-bending TorsBC-actuator in the form of a curved two-layer bimorph of torsion from two fi lm piezoelectric IncIDE-actuators with orientation angles ±π/4 interdigital electrodes was developed. The working bending of the TorsBC actuator in the transverse plane is due to controlled piezoelectric twisting around its longitudinal curvilinear axis. The torque is due to piezoelectric tensile or compressive stresses at ±π/4 angles to the longitudinal axis in the bimorph layers. The polarity of the control voltage applied to the electrode outputs determines the sign of the piezoelectric stresses (i.e. tension or compression in directions ±π/4) of the torsion bimorph layers and, as a result, determines the direction of twisting and the resulting transverse bending of the TorsBC actuator. Analytical solutions and numerical analysis of values of deflection, twist angle and blocking force on free end of cantilever arc-shaped TorsBC actuator are obtained depending on its geometrical and electro-mechanical parameters, in particular, curvature of its longitudinal axis. The results are relevant in the design of bending-type sensors and actuators, elements of microelectromechanical systems, stepper motors and manipulators for assembling microscale objects.

пьезоэлектрический актюаторкриволинейный стерженьбиморфкручениеизгибчисленное моделированиеэлектромеханическая математическая модельpiezoelectric actuatorcurvilinear rodbimorphtorsionbendingnumerical modelingelectromechanical mathematical modelРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2023-0006).The results were obtained within the framework of the State task of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project no. FSNM-2023-0006).ReferencesZhu D., Almusallam A., Beeby S.P. et al. A bimorph multi-layer piezoelectric vibration energy harvester. PowerMEMS 2010 Proceedings, Belgium, Leuven, 01–03 Dec 2010. https://www.researchgate.net/publication/313363724_A_Bimorph_Multi-layer_Piezoelectric_Vibration_Energy_HarvesterZhu D., Almusallam A., Beeby S.P. et al. A bimorph multi-layer piezoelectric vibration energy harvester. PowerMEMS 2010 Proceedings, Belgium, Leuven, 01–03 Dec 2010. https://www.researchgate.net/publication/313363724_A_Bimorph_Multi-layer_Piezoelectric_Vibration_Energy_HarvesterWilliams C. B., Yates R. B. Analysis of a microelectric generator for Microsystems. Sensors and Actuators A: Physical, 52(1–3), 8–11 (1996). http://dx.doi.org/10.1016/0924-4247(96)80118-XWilliams C. B., Yates R. B. Analysis of a microelectric generator for Microsystems. Sensors and Actuators A: Physical, 52(1–3), 8–11 (1996). http://dx.doi.org/10.1016/0924-4247(96)80118-XLiu H., Zhong J., Lee C. et al. A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications. Applied Physics Reviews, 5(4), 041306 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5074184Liu H., Zhong J., Lee C. et al. A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications. Applied Physics Reviews, 5(4), 041306 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5074184Ivan I. A., Rakotondrabe M., Lutz P., Chaillet N. Quasistatic displacement self-sensing method for cantilevered piezoelectric actuators. Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics, 80(6), 065102 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3142486Ivan I. A., Rakotondrabe M., Lutz P., Chaillet N. Quasistatic displacement self-sensing method for cantilevered piezoelectric actuators. Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics, 80(6), 065102 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3142486Bansevičius R., Navickaitė S., Jūrėnas V. et al. Investigation of novel design piezoelectric bending actuators. Journal of Vibroengineering, 15(2), 1064–1068 (2013).Bansevičius R., Navickaitė S., Jūrėnas V. et al. Investigation of novel design piezoelectric bending actuators. Journal of Vibroengineering, 15(2), 1064–1068 (2013).Йелстаун Корпорейшн Н.В. (AN). Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры: пат. RU 2099754. Бюл. изобрет. № 12 (1997).Jelstaun Korporejshn N.V. (AN). Deformable mirror based on multilayer active bimorph structure: Pa tent RU 2099754 C1. Bull. Izobret., no. 12 (1997).Mouh li M. Analysis and shape modeling of thin piezoelectric actuators, Virginia Commonwealth University Publ. (2005).Mouhli M. Analysis and shape modeling of thin piezoelectric actuators, Virginia Commonwealth University Publ. (2005).Yamada H., Sasaki M., Nam Y. Active vibration control of a micro-actuator for hard disk drives using self-sensing actuator. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 19(1), 113–123 (2008). https://doi.org/10.1177/1045389X07083693Yamada H., Sasaki M., Nam Y. Active vibration control of a micro-actuator for hard disk drives using self-sensing actuator. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 19(1), 113–123 (2008). https://doi.org/10.1177/1045389X07083693El-Sayed A. M., Abo-Ismail A., El-Melegy M. T. et a l. Development of a micro-gripper using piezoelectric bimorphs. Sensors, 13, 5826–5840 (2013). https://doi.org/10.3390/s130505826El-Sayed A. M., Abo-Ismail A., El-Melegy M. T. et al. Development of a micro-gripper using piezoelectric bimorphs. Sensors, 13, 5826–5840 (2013). https://doi.org/10.3390/s130505826Zhou J., Dong L., Yang W. A Double-Acting Piezoelectric actuator for helicopter active rotor. Actuators, 247(10), 1–15 (2021), https://doi.org/10.3390/act10100247Zhou J., Dong L., Yang W. A Double-Acting Piezoelectric actuator for helicopter active rotor. Actuators, 247(10), 1–15 (2021), https://doi.org/10.3390/act10100247Abedian B., Cundari M. Resonant frequency of a polyvinylidene flouride piezoelectric bimorph: the effect of surrounding fluid. Proceedings SPIE, 1916 (1993). https://doi.org/10.1117/12.148486Abedian B., Cundari M. Resonant frequency of a polyvinylidene flouride piezoelectric bimorph: the effect of surrounding fluid. Proceedings SPIE, 1916 (1993). https://doi.org/10.1117/12.148486Паньков А. А., Аношкин А. Н., Писарев П. В. Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля: па т. RU 2723567. Изоб ретения. Полезные модели. № 17 (2020).Pan’kov A. A., Anoshkin A. N., Pisarev P. V. Propeller blade with controlled profile geometry: Patent RU 2099754 C1. Inventions. Utility models, no. 17 (2020).Козырев Г. И., Назаров А. В., Солдатенко В. С., Усиков В. Д. Синтез интеллектуальных датчиков на основе введения минимальной структурной избыточности. Измерительная техника, (11), 22–27 (2020). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-11-22-27Kozyrev G. I., Nazarov A. V., Soldatenko V. S., Usikov V. D. Design of smart sensors based on the introduction of minimal structural redundancy. Measurement Techniques, 63(11), 870–876 (2021). https://doi.org/10.1007/s11018-021-01871-yПоляков А. В., Ксенофонтов М. А. Мониторинг высоковольтного напряжения с помощью оптоволоконной рециркуляционной измерительной системы. Измерительная техника, (2), 38–44 (2020). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-2-38-44Polyakov A. V., Ksenofontov M. A. High-voltage monitoring with a fiber-optic recirculation measuring system. Measurement Techniques, 63(2), 117–127 (2020). https://doi.org/10.1007/s11018-020-01759-3Wilkie W. K. et al. Piezoelectric macro-fiber composite actuator and method for making same. USA patent 2003/0056351 A1, March 2003.Wilk ie W. K. et al. Piezoelectric macro-fiber composite actuator and method for making same. USA patent 2003/0056351 A1, March 2003.Emad D., Fanni M. A., Mohamed A. M., Yoshida S. Low-computational-cost technique for modeling macro fiber composite piezoelectric actuators using finite element method. Materials, 15(14), 4316 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14154316Emad D., Fanni M. A., Mohamed A. M., Yoshida S. Low-computational-cost technique for modeling macro fiber composite piezoelectric actuators using fi nite element method. Materials, 15(14), 4316 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14154316Park J.-S., Kim J.-H. Analytical development of single crystal macro fiber composite actuators for active twist rotor blades. Smart Materials and Structures, 14, 745–753 (2005). https://doi:10.1088/0964-1726/14/4/033Park J.-S., Kim J.-H. Analytical development of single crystal macro fiber composite actuators for active twist rotor blades. Smart Materials and Structures, 14, 745–753 (2005). https://doi:10.1088/0964-1726/14/4/033Пань ков А. А. Пьезоэлектрический MDS-актюатор: пат. RU 2803015. Изобретения. Полезные модели. № 25 (2023).Pan’kov A. A. Piezoelectric MDS actuator: Patent RU 2803015. Inventions. Utility models, no. 25 (2023).Пань ков А. А. Пьезоэлектрический CDS-актюатор: пат. RU 2801619. Изобретения. Полезные модели. № 23 (2023).Pan’kov A. A. Piezoelectric CDS actuator: Patent RU 2801619. Inventions. Utility models, no. 23 (2023).Пань ков А. А. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора: пат. RU 2811420. Изобретения. Полезные модели. № 2 (2024).Pan’ kov A. A. Manufacturing method of piezoelectric actuator: Patent RU 2811420. Inventions. Utility models, no. 2 (2024).Пань ков А. А. Пьезоактюатор изгибного типа: пат. RU 2819557. Изобретения. Полезные модели. № 15 (2024).Pan’kov A. A. Bending-type piezoactuator: Patent RU 2819557. Inventions. Utility models, no. 15 (2024).Пань ков А. А. TorsBC-пьезоактюатор изгибного типа: пат. RU 2822976. Изобретения. Полезные модели. № 20 (2024).Pan’kov A. A. TorsBC-bending type piezoactuator: Patent RU 2822976. Inventions. Utility models, no. 20 (2024).Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. Наукова думка, Киев (1988).Pisarenko G. S., Yakovlev A. P., Matveev V. V. Handbook at Strength of Materials. Kiev, Naukova dumka (1988). (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.