Разработка математических моделей электроупругих структур и их применение в САПР пьезокерамических элементов
Диссертация
Зависимости, полученные в результате моделирования, показали необходимость изготовлении сечение балки с точностью 5 мкм, а глубина и ширина основного пропила с точностью 10 мкм. Такие допуска имеют место быть только при условии однородности пьезокерамического материала. При отсутствии технологии, позволяющей обеспечить такие допуска, чувствительный элемент подвергается балансировке (настройке… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ
- 1. 1. Пьезокерамика
- 1. 1. 1. Пьезокерамика и области ее применения
- 1. 1. 2. Формулы пьезоэффектов
- 1. 1. 3. Технология изготовления пьезоэлементов
- 1. 1. 4. Уравнения состояния пьезокерамической среды
- 1. 2. Конечно-элементное моделирование пьезокерамических изделий
- 1. 2. 1. Сущность МКЭ и основные этапы его практической реализации
- 1. 2. 2. Построение физической модели
- 1. 2. 3. Построение математической модели
- 1. 2. 4. Возможности АШУБ в решении задач электроупругости
- 1. 2. 4. 1. Определение материальных констант пьезоэлектрических материалов
- 1. 2. 4. 2. Граничные условия на электродах
- 1. 2. 4. 3. Определение частот электрических резонансов
- 1. 1. Пьезокерамика
- 2. 1. Сравнительный анализ исследований моночастотности пьезокерамических дисковых резонаторов аналитическими методами и методом конечных элементов
- 2. 2. Исследование влияния геометрической формы на характеристики пьезокерамических «квадратных» резонаторов
- 4. 1. Устройство и физические явления в чувствительном элементе
- 4. 2. Аналитическое описание колебательных процессов
- 4. 3. Моделирование колебательных процессов биморфного чувствительного элемента
Список литературы
- Великин Я.И., Гельмонт З. Я., Зелях Э. В. Пьезоэлектрические фильтры. -М.: Связь, 1966.-396 с.
- Аржанов В.А., Ясинский И. М. Электрические фильтры и линии задержки: Учеб. пособие, Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. — 372 с.
- Магнитные и диэлектрические приборы, ч.1. Пер. с англ. Под ред. И. Б. Негневицкого. Изд-во «Энергия», 1964.
- Некрасов М.М., Злогодух Г. М. Новые пьезо- и сегнетоматериалы и их применение (материал семинара). Изд-во Моск. Дома научно-технической пропаганды, 1969, стр. 199.
- Злогодух Г. М., Лавриенко В. В. Новые пьезо- и сегнетоматериалы и их применение (материал семинара). Изд-во Моск. Дома научно-технической пропаганды, 1969, стр. 201.
- Глозман И.А. Пьезокерамика. Изд-во «Энергия», 1967.
- Ryoo H., Lee Y., Roh Y. Design and fabrication of a dual-axial gyroscope with piezoelectric ceramics // Sensors and Actuators. 1998. V. A65. P. 54 60.
- Джигунов Р.Г., Борисюк A.M. Современные тенденции и направления развития пьезотехники. Фундаментальные проблемы пьезоэлектроники. Ростов-на-Дону: МП «Книга», 1995. Т. 3. С. 5−12.
- Смажевская Е.Г., Фельдман Н. Б. Пьезоэлектрическая керамика. М., Изд-во «Советское радио», 1971,200 с.
- П.Мэзон У. Применение пьезоэлектрических кристаллов и механических резонаторов в фильтрах и генераторах. В кн.: Физическая акустика/Под ред. У. Мэзона. -М.: Мир, 1966.
- Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1981.-232 с.
- Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / Пер. с англ. С. Н. Жукова. Мн. ООО «ФУАинформ», 2003 .- 112с.
- Берленкур Д., Керран Д., Жаффе И. Г. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях. Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследований, часть А. М.: Мир, 1966. 592 с.
- Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. М.: Изд-во «Мир», 1974.-288 с.
- Lloyd P., Redwood М. Finite-difference method for the investigation of the equivalent-circuit characteristics of piezoelectric resonators // J. Acoust. Soc. Amer. 1966. V. 36, N 2. P. 346−361.
- Шульга H.A., Болкисев A.M. Колебания пьезоэлектрических тел. Киев: Наук, думка, 1990.228 с.
- Москальков М.Н. Исследование разностной схемы решения задачи излучения звука цилиндрическим пьезовибратором // Дифференц. уравнения. 1986. Т. 22, № 7. С. 1220−1226.
- Мельник В.Н., Москальков М. Н. О связанных электроупругих нестационарных колебаниях пьезоэлектрического цилиндра с радиальной поляризацией //ЖВМ и МФ. 1988. Т.28,№ 11. С.1755−1756.
- Мельник В.Н., Москальков М. Н. Разностные схемы и анализ приближенных решений для двумерных нестационарных задач связанной электроупругости // Дифференц. уравнения. 1991. Т. 27, № 7. С. 1220−1229.
- Власенко В.Д. Численное моделирование электроупругих процессов в пьезопластине в режиме излучения // Методы числ. анал. / РАН. ДВО. ВЦ. Владивосток, 1993. С.113−131.
- Чебан В.Г., Форня Г. А. Решение задачи о распространении электроупругой волны в пьезокерамическом стержне // Изв. АН МССР. Математика. 1990. № 1. С.55−59.
- Ватульян А.О., Кубликов B.JI. О граничных интегральных уравнениях в электроупругости // ПММ. 1989. Т. 53, № 6. С. 1037−1041.
- Ватульян А.О., Кубликов B.JI. Метод граничных элементов в электроупругости // Механика деформируемых тел. Межвуз. сб. науч. тр. / ДГТУ, Ростов-на-Дону. 1994. С. 17−21.
- Vatulian А.О., Kublikov V.L. Boundary element method in electroelasticity // Boundary Elem. Commun. 1995. V. 6. P. 59−61.
- Ватульян A.O., Кирютенко А. Ю., Наседкин A.B. О формулировке граничных интегральных уравнений связанной термоэлектроупругости // Интегродифференциальные операторы и их приложения. Межвуз. сб. науч. трудов / ДГТУ, Ростов-на-Дону. 1996. С. 19−25.
- Докучаев С.А., Наседкин A.B. Реализация МГЭ в нестационарных задачах электроупругости для среды класса 6 mm // Современные проблемы механики сплошной среды. Тр. III Межд. конф. Ростов н/Д, 1−9 окт. 1997. Ростов н/Д: МП «Книга», 1997. Т. 1. С. 111−115.
- Балабаев С.М., Ивина Н. Ф. Анализ собственных колебаний пьезокерамических цилиндров произвольных размеров // Прикл. механика. 1989. Т. 25, № 10. С.37−41.
- Балабаев С.М., Ивина Н. Ф. Анализ пьезопреобразователей комбинированным методом конечных и граничных элементов // Акуст. журн. 1996. Т. 42, № 2. С. 172−178.
- Ивина Н.Ф. Численный анализ собственных круглых пьезокерамических пластин конечных размеров // Акуст. журн. 1989. Т. 35, № 4. С. 667−673.
- Болкисев A.M. Конечно-элементный анализ деформированного состояния пьезоэлектрического двигателя // Прикл. механика. 1993. Т. 29, № 8. С. 6972.
- Кажис Р.-Й.Ю. Ультразвуковые информационно-измерительные системы. Вильнюс: Мокслас, 1986. 216 с.
- Кажис Р.-Й.Ю., Мажейка Л. Ю. Расчет неоднородных электрических и акустических полей в измерительных пьезопреобразователях методом конечных элементов // Научн. тр. вузов ЛитССР. Радиоэлектроника. 1983. Т. 19, № 1.С. 25−35.
- Кажис Р.-Й.Ю., Мажейка Л. Ю. Расчет нестационарных электроакустических полей в измерительных пьезопреобразователях методом конечных элементов // Научн. тр. вузов ЛитССР. Ультразвук.1985. № 17. С. 3−13.
- Кажис Р.-Й.Ю., Мажейка Л. Ю. Исследование переходных процессов в плоских пьезоизлучателях методом конечных элементов // Дефектоскопия.1986. № 12. С. 3−11.
- Кажис Р.-Й.Ю., Мажейка Л. Ю. Анализ нестационарного режима пьезопреобразователей методом конечных элементов // Акуст. журн. 1987. Т. 33, № 5. С. 895−902.
- Ковалев С.П., Кузьменко В. А., Писаренко Г. Г., Чушко В. М. О построении численного решения задач электроупругости // Пробл. прочности. 1979. № 8. С. 90−92.
- Шинкаренко Г. А. Проекционно-сеточные аппроксимации для вариационных задач пироэлектричества. I. Постановка задач и анализ установившихся вынужденных колебаний // Дифференц. уравнения. 1993. Т. 29, № 7. С. 1252−1260.
- Шинкаренко Г. А. Проекционно-сеточные аппроксимации для вариационных задач пироэлектричества. II. Дискретизация и разрешимость нестационарных задач // Дифференц. уравнения. 1994. Т. 30, № 2. С. 317 326.
- Ерофеев С.А., Ерофеев А. А. Интеллектуальное конечно-элементное моделирование и расчет элементов и устройств функционирования электроники в среде Feapiezo-2 // Тр. IV Межд. симп. «Интеллектуальные системы» (интелс'2000). М., 2000. С. 182−183.
- Allik Н., Webman К.М., Hunt J.T. Vibration response of sonar transducers using piezoelectric finite elements // J. Acoust. Soc. Amer. 1974. V. 56, N 6. P. 17 821 791.
- Boucher D., Lagier M., Maerfeld C. Computation of the vibrational modes for piezoellectric array transducers using a mixed finite element-perturbation method //IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. 1981. V. SU-28, N 5. P. 318−330.
- Challande P. Finite element method applied to piezoelectric cavities study: influence of the geometry on vibration modes and coupling coefficient // J. Mec. Theor. et Appl. 1988. V. 7, N 4. P. 461−477.
- Challande P. Optimizing ultrasonic transducers based on the finite element method // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 1990. V. 37, N 2. P. 135−140.
- Cowdrey D.R., Willis J.R. Application of the finite element method to the vibrations of quarz plate // J. Acoust. Soc. Amer. 1974. V. 56, N 1. P. 94−98.
- Hayward G., Bennett J. Assessing the influence of pillar aspect ratio on the behavior of 1−3 connectivity composite transducers // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 1996. V. 43, N 1. P. 98−107.
- Hossack J. A., Hay ward G. Finite-element analysis of 1−3 composite transducers // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 1991. V. 38, N 6. P. 618−629.
- Kagawa Y. A new approach to analysis and design of electromechanical filters by finite-element technique // J. Acoust. Soc. Amer. 1971. V. 49, N 2 (Part.l). P. 1348−1356.
- Kagawa Y. Finite element simulation of transient heat response in ultrasonic transducers // IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. 1992. V. SU-39, N 3. P. 432−440.
- Kagawa Y., Arai H. Finite element simulation of energy-trapped electromechanical resonators // J. Sound and Vibr. 1975. V. 39, N 3. P. 317−335.
- Kagawa Y., Gladwell G.M.L. Finite element analysis of flexire-type vibrators with electrostrictive transducers // IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. 1970. V. SU-17,N l.P. 41−49.
- Kagawa Y., Yamabuchi Т. Finite element simulation of two-dimensional electromechanical resonators // IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. 1974. V. SU-21, N4. P. 273−280.
- Kagawa Y., Yamabuchi T. A finite element approach to electromechanical problems whith an application to energy-trapped and surfaces free devices // IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. 1976. V. SU-23, N 4. P. 263−272.
- Kagawa Y., Yamabuchi T. A finite element approach for a piezoVelectric circular rod // IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. 1976. V. SU-23, N 6. P. 379−385.
- Kagawa Y., Yamabuchi T. Finite element simulation of a composite piezoelectric ultrasonic transducer // IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. 1979. V. SU-26,N2.P. 81−88.
- Lerch R. Finite element analysis of piezoelectric devices by two- and three-dimensional finite elements // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 1990. V. 37, N 3. P. 233−247.
- Lerch R. Exact computer modelling: a tool for the design of imaging transducers //Acoustic. Imaging. 1992. V. 19. P. 175−186.
- Naillon M., Coursant R.H., Besnier F. Analysis of piezoelectric structures by a finite element method // Acta Electronica. 1983. V. 25, N 4. P. 341−362.
- Tzou H.S., Tseng C.I. Distributed piezoelectric sensor/actuator design for dynamic measurement/control of distributed parameter systems: a piezoelectric finite element approach //J. Sound and Vibr. 1990. V. 138, N 1. P. 17−34.
- Галлагер P. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-428 с. 65.3енкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ.-М.: Мир, 1986.-318 с.
- ANSYS. Basic Analysis Procedures Guide. Rel.5.4 / ANSYS Inc. Houston, 1997.
- ANSYS. Commands Ref. Rel.5.4 / ANSYS Inc. Houston, 1997.
- ANSYS. Elements Ref. Rel.5.4 / ANSYS Inc. Houston, 1997.
- ANSYS. Theory Ref. Rel.5.4. Ed. P. Kothnke / ANSYS Inc. Houston, 1997.
- COSMOS/M. V.2.0. Advanced Modules Manual. ASTAR. / Strustural Research & Analysis Corp., 1997.
- ATILA. Finite-element code for piezoelectric and magnetostrictive transducer and actuator modeling. V.5.1.1. User’s Manual. / Lille Cedex (France): ISEN, 1997.
- PZFlex, Explicit time domain, piezoelectric, nite element code. Weidlinger Associates Inc., Los Altos, CA.
- Wojcik G.L., Vaughan D.K., Abboud N., Mould J. Electromechanical modeling using explicit time-domain finite elements // Proc. IEEE Ultrasonics Symp. 1993. V. 2.P. 1107−1112.
- Abboud N.N., Wojcik G.L., Vaughan D.K., Mould J., Powell D.J., Nikodym L. Finite element modeling for ultrasonic transducers // Proc. SPIE Int. Symp. Medical Imaging. 1998.
- ANSYS 9.0 Documentation / ANSYS Inc. 2004.
- Наседкин A.B., Скалиух А. С., Соловьев А. Н. Пакет ACELAN и конечно-элементное моделирование гидроакустических пьезопреобразователей // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. 2001. Спецвыпуск. Математическое моделирование. С. 122−125.
- Белоконь A.B., Наседкин A.B., Соловьев А. Н. Новые схемы конечно-элементного динамического анализа пьезоэлектрических устройств // Прикладная математика и механика. 2002. Т. 66, № 3. С.491−501.
- Ляв А. Математическая теория упругости. М.- Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1935.
- Гуреев A.B., Шахворостов Д. Ю. Влияние технологических факторов на спектр резонатора круглого сечения. «Известия высших учебных заведений. Электроника № 3», МИЭТ, 2007, С.75−76.
- Шахворостов Д.Ю. Пьезокерамические фильтры поверхностного монтажа // «Микроэлектроника и информатика-2005». Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. М.: МИЭТ, 2005, С. 355.
- Шахворостов Д.Ю. К вопросу о моночастотности квадратных пьезокерамических резонаторов // «Электроника и информатика-2005». 5-я Международная научно-техническая конференция Тезисы докладов. М.: МИЭТ, 2005, С. 154.
- Материалы пьезокерамические, ОСТ11 0444−87,1987, С. 121.
- Шахворостов Д.Ю. Моделирование колебаний ультразвукового фокусирующего элемента из пьезокерамики. // («Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий», НКТБ «Пьзоприбор» РГУ, Ростов-на-Дону, 2006 г.
- Сафронов А.Я., Никифоров В. Г., Шахворостов Д. Ю., Калифатиди А. К., Барыкин В. В. Малогабаритные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы широкого применения. «Электроника: Наука, Технология, Бизнес», № 8,2006, С.62−63.