НЕСТАЦІОНАРНІ КОЛИВАННЯ П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ФУНКЦІОНАЛЬНО-ГРАДІЄНТНИХ МАТЕРІАЛІВ
Ключові слова:
електропружність; нестаціонарні коливання; тверда та м’яка п’єзокераміка; функціонально-градієнтний матеріал.
Анотація
Досліджуються нестаціонарні коливання п’єзоелементів різної геометрії в припущенні про функціональний розподіл матеріальних характеристик за товщиною п’єзоелемента. Для опису товщинних коливань п’єзоелектричних пластин, циліндрів та куль використовується уніфікована система розв’язуючих рівнянь. Порівнюються механічні коливання однорідних, двошарових та функціонально-градієнтних п’єзоелементів з твердої та м’якої п’єзокераміки PZT. Встановлено, що градієнтний перехід між матеріалами знижує швидкість поширення та підвищує амплітуду коливань в порівнянні з двошаровими тілами. Функціонально-градієнтний матеріал з параболічним розподілом за товщиною дає підвищення амплітуди на 12–30% в залежності від геометрії тіла. Рекомендується розміщувати м’яку п’єзокераміку біля закріплення для збільшення електромеханічної чутливості та зменшення напружень в защемленні.Посилання
1. Chen W. Q., Ding H. J., Liang J. The exact elasto-electric field of a rotating pie-zoceramic spherical shell with a functionally graded property // Int. Journal of Solids and Structures. 2001. Vol. 38, No. 38-39. P. 7015–7027. https://doi.org/10.1016/s0020-7683(00)00394-2
2. Chen Y. et al. Coupling analysis of flexoelectric effect on functionally graded piezoelectric cantilever nanobeams. Micromachines. 2021. Vol. 12, No. 6. P. 595. https://doi.org/10.3390/mi12060595
3. Chen Y., Shi Zh. Analysis of a functionally graded piezothermoelastic hollow cylinder // Journal of Zhejiang University-Science A. 2005. Vol. 6, No. 9. P. 956–961. https://doi.org/10.1631/jzus.2005.a0956
4. Dai H. L., Fu Y. M., Yang J. H. Electromagnetoelastic behaviors of functionally graded piezoelectric solid cylinder and sphere // Acta mechanica sinica. 2007. Vol. 23, No. 1. P. 55–63. https://doi.org/10.1007/s10409-006-0047-0
5. Grigoryeva L. Transient responses in piezoceramic multilayer actuators taking into account external viscoelastic layer // Strength of Materials and Theory of Structures. 2020. No. 105. P. 255–266. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2020.105.255-266
6. Li J. et al. Active vibration control of functionally graded piezoelectric material plate. Composite structures. 2019. Vol. 207. P. 509–518.
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.09.053
7. Nguyen Thi H. Free vibration and static bending analysis of piezoelectric functionally graded material plates resting on one area of two-parameter elastic foundation // Mathematical problems in engineering. 2020. Vol. 2020. P. 1–18.
https://doi.org/10.1155/2020/9236538
8. Rupitsch S. J. Piezoelectric sensors and actuators. Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2019. 559 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-57534-5
9. Shahab S., Zhao S., Erturk A. Soft and hard piezoelectric ceramics and single crystals for random vibration energy harvesting // Energy technology. 2018. Vol. 6, No. 5. P. 935–942. https://doi.org/10.1002/ente.201700873
10. Shulga M. O., Grigoryeva L. O. Electromechanical unstationary thickness vibrations of piezoceramic transformers at electric excitation// Mechanical vibrations: types, testing, and analysis. Hauppauge, N.Y : Nova Science Publishers, 2010. Р. 179–204.
11. Su Z., Jin G., Ye T. Electro-mechanical vibration characteristics of functionally graded piezoelectric plates with general boundary conditions / Int. Journal of Mechanical Sciences. 2018. Vol. 138–139. P. 42–53. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.01.040
12. Viliani N.S., Khalili S.M.R., Porrostami H. Buckling Analysis of FG Plate with Smart Sensor/Actuator // Journal of Solid Mechanics. 2009. Vol. 1, No. 3. P. 201–212.
13. Wang Z., Maruyama K., Narita F. A novel manufacturing method and structural design of functionally graded piezoelectric composites for energy-harvesting // Materials & Design. 2022. Vol. 214. P. 110371. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110371
14. Yan X. et al. Soft and hard piezoelectric ceramics for vibration energy harvesting. Crystals. 2020. Vol. 10, No. 10. P. 907. https://doi.org/10.3390/cryst10100907 .
2. Chen Y. et al. Coupling analysis of flexoelectric effect on functionally graded piezoelectric cantilever nanobeams. Micromachines. 2021. Vol. 12, No. 6. P. 595. https://doi.org/10.3390/mi12060595
3. Chen Y., Shi Zh. Analysis of a functionally graded piezothermoelastic hollow cylinder // Journal of Zhejiang University-Science A. 2005. Vol. 6, No. 9. P. 956–961. https://doi.org/10.1631/jzus.2005.a0956
4. Dai H. L., Fu Y. M., Yang J. H. Electromagnetoelastic behaviors of functionally graded piezoelectric solid cylinder and sphere // Acta mechanica sinica. 2007. Vol. 23, No. 1. P. 55–63. https://doi.org/10.1007/s10409-006-0047-0
5. Grigoryeva L. Transient responses in piezoceramic multilayer actuators taking into account external viscoelastic layer // Strength of Materials and Theory of Structures. 2020. No. 105. P. 255–266. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2020.105.255-266
6. Li J. et al. Active vibration control of functionally graded piezoelectric material plate. Composite structures. 2019. Vol. 207. P. 509–518.
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.09.053
7. Nguyen Thi H. Free vibration and static bending analysis of piezoelectric functionally graded material plates resting on one area of two-parameter elastic foundation // Mathematical problems in engineering. 2020. Vol. 2020. P. 1–18.
https://doi.org/10.1155/2020/9236538
8. Rupitsch S. J. Piezoelectric sensors and actuators. Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2019. 559 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-57534-5
9. Shahab S., Zhao S., Erturk A. Soft and hard piezoelectric ceramics and single crystals for random vibration energy harvesting // Energy technology. 2018. Vol. 6, No. 5. P. 935–942. https://doi.org/10.1002/ente.201700873
10. Shulga M. O., Grigoryeva L. O. Electromechanical unstationary thickness vibrations of piezoceramic transformers at electric excitation// Mechanical vibrations: types, testing, and analysis. Hauppauge, N.Y : Nova Science Publishers, 2010. Р. 179–204.
11. Su Z., Jin G., Ye T. Electro-mechanical vibration characteristics of functionally graded piezoelectric plates with general boundary conditions / Int. Journal of Mechanical Sciences. 2018. Vol. 138–139. P. 42–53. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.01.040
12. Viliani N.S., Khalili S.M.R., Porrostami H. Buckling Analysis of FG Plate with Smart Sensor/Actuator // Journal of Solid Mechanics. 2009. Vol. 1, No. 3. P. 201–212.
13. Wang Z., Maruyama K., Narita F. A novel manufacturing method and structural design of functionally graded piezoelectric composites for energy-harvesting // Materials & Design. 2022. Vol. 214. P. 110371. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110371
14. Yan X. et al. Soft and hard piezoelectric ceramics for vibration energy harvesting. Crystals. 2020. Vol. 10, No. 10. P. 907. https://doi.org/10.3390/cryst10100907 .
Опубліковано
2022-12-30
Як цитувати
Григор’єва, Л. О., & Янчевський, І. В. (2022). НЕСТАЦІОНАРНІ КОЛИВАННЯ П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ФУНКЦІОНАЛЬНО-ГРАДІЄНТНИХ МАТЕРІАЛІВ. Проблеми обчислювальної механіки і міцності конструкцій, (35), 29-41. https://doi.org/10.15421/4222213
Розділ
Статті
ISSN 
