Электромеханическая математическая модель криволинейного крутильно-изгибного пьезоэлектрического актюатора

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.

1. Zhu 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_Harvester

2. Williams 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-X

3. Liu 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/10.1063/1.5074184

4. Ivan 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/10.1063/1.3142486

5. Bansevičius R., Navickaitė S., Jūrėnas V. et al. Investigation of novel design piezoelectric bending actuators. Journal of Vibroengineering, 15(2), 1064–1068 (2013).

6. Йелстаун Корпорейшн Н.В. (AN). Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры: пат. RU 2099754. Бюл. изобрет. № 12 (1997).

7. Mouh li M. Analysis and shape modeling of thin piezoelectric actuators, Virginia Commonwealth University Publ. (2005).

8. 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/10.1177/1045389X07083693

9. El-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/s130505826

10. Zhou 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/act10100247

11. Abedian B., Cundari M. Resonant frequency of a polyvinylidene flouride piezoelectric bimorph: the effect of surrounding fluid. Proceedings SPIE, 1916 (1993). https://doi.org/10.1117/12.148486

12. Паньков 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).

13. 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.2020-11-22-27

14. Поляков 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.2020-2-38-44

15. Wilkie W. K. et al. Piezoelectric macro-fiber composite actuator and method for making same. USA patent 2003/0056351 A1, March 2003.

16. 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/ma14154316

17. Park 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:10.1088/0964-1726/14/4/033

18. Пань ков А. А. Пьезоэлектрический MDS-актюатор: пат. RU 2803015. Изобретения. Полезные модели. № 25 (2023).

19. Пань ков А. А. Пьезоэлектрический CDS-актюатор: пат. RU 2801619. Изобретения. Полезные модели. № 23 (2023).

20. Пань ков А. А. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора: пат. RU 2811420. Изобретения. Полезные модели. № 2 (2024).

21. Пань ков А. А. Пьезоактюатор изгибного типа: пат. RU 2819557. Изобретения. Полезные модели. № 15 (2024).

22. Пань ков А. А. TorsBC-пьезоактюатор изгибного типа: пат. RU 2822976. Изобретения. Полезные модели. № 20 (2024).

23. Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. Наукова думка, Киев (1988).