Перехідні процеси в п’єзокерамічних багатошарових актуаторах з врахуванням зовнішнього в’язкопружного узгоджувального шару

Заголовок (російською): 
Переходные процессы в пьезокерамических многослойных актуаторах с учетом внешнего вязкоупругого слоя
Заголовок (англійською): 
Transient responses in Piezoceramic Multilayer Actuators Taking into Account External Viscoelastic Layer
Автор(и): 
Григор’єва Л.О.
Автор(и) (англ): 
Grigoryeva L.O.
Ключові слова (укр): 
п’єзокерамічні багатошарові перетворювачі; нестаціонарні коливання; електричне збурення; п’єзоелектричні актуатори; пружні, в’язкопружні шари; товщинні, радіальні моди коливань
Ключові слова (рус): 
пьезокерамические многослойные преобразователи; нестационарные колебания; электрическое возмущение; пьезоэлектрические актуаторы; упругие, вязкоупругие слои; толщинные, радиальные колебания
Ключові слова (англ): 
piezoceramic multilayer transducers; non-stationary oscillations; electrical disturbance; piezoelectric actuators; elastic, viscoelastic layers; thickness, radial vibrations
Анотація (укр): 
В роботі розвивається узагальнений підхід до дослідження товщинних (радіальних) збурень, що виникають в п’єзокерамічних пластинах, циліндрах, сферах при електричних навантаженнях. Розглядаються багатошарові перетворювачі змінного напрямку поляризації з електродованими поверхнями розділу. Запропонований підхід дозволяє досліджувати коливання тіл з шарами, виконаними з різних електропружних та пружних матеріалів. Чисельна реалізація виконана за допомогою скінченних різниць. Описано коливання багатошарових пластин, циліндрів та сфер з зовнішнім пружним або в’язкопружним підкріплюючим шаром та без нього при імпульсних та гармонічних нестаціонарних навантаженнях. Встановлено, що для плоского шару зовнішній шар підвищує амплітуду та період вільних коливань після зняття навантаження, а для циліндрів та куль - понижує. Наявність пружного шару підсилює третю та гасить четверту власну частоту перетворювача, чим розширює частотний діапазон його роботи.
Анотація (рус): 
В работе развивается обобщенный подход к исследованию толщинных (радиальных) возмущений, возникающих в пьезокерамических пластинах, цилиндрах, сферах при электрических нагрузках. Рассматриваются многослойные преобразователи переменного направления поляризации с электродированными поверхностями раздела. Предложенный подход позволяет исследовать колебания тел со слоями, выполненными из различных электроупругих и упругих материалов. Численная реализация выполнена с помощью конечных разностей. Описаны колебания многослойных пластин, цилиндров и сфер с внешним упругим или вязкоупругим подкрепляющим слоем и без него при импульсных и гармонических нестационарных нагрузках. Установлено, что для плоского слоя внешний слой повышает амплитуду и период свободных колебаний после снятия нагрузки, а для цилиндров и сфер - понижает. Наличие упругого слоя усиливает третью и гасит четвертую собственную частоту преобразователя, чем расширяет частотный диапазон его работы.
Анотація (англ): 
The work develops a generalized approach to the study of thickness (radial) vibrations arising in the piezoceramic plates, cylinders, spheres under electrical loads. The state of the problem and the main approaches, used in the problems of studying the oscillations of electroelastic bodies, are described. The use of multilayer elements with electroded interface surfaces and variable direction of polarization of the layers increases the conversion efficiency of electrical energy into mechanical energy, so multilayer piezoceramic plates, cylinders, spheres with changing polarization directions with electroded interfaces are considered. Because of piezoelectric elements are often embedded in the housing and supplemented with matching layers to protect against mechanical damage, it is necessary to study their effect on the oscillations of the element. The proposed approach makes it possible to study the vibrations of plane, cylindrical and spherical bodies with layers made of various electroelastic and elastic materials. Numerical implementation is carried out using finite differences. Nonstationary oscillations of PZT-4 ceramic elements at zero initial conditions are investigated. Oscillations of multilayer plates, cylinders and spheres with and without an external elastic or viscoelastic reinforcing layer under impulse and harmonic unsteady loads are investigated and compared. There are found own frequencies for 5-layer bodies of different geometry with and without an external layer. The first natural frequency for cylinder and sphere corresponds to the radial mode of oscillations, while the second natural frequency for cylinders and spheres and the first for flat bodies are almost equal and correspond to thickness mode. The transient processes in the elements under impulse loads and the influence of the outer elastic layer (housing or matching layer) are studied, taking into account the Rayleigh attenuation. It is established that for a flat layer the outer layer increases the amplitude and the period of free vibrations after removing the load, and for cylinders and spheres it decreases. The presence of an elastic layer enhances the third and dampens the fourth natural frequency of the transducer, thereby expanding the frequency range of its operation.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2020, номер 105
Назва журналу, номер, рік випуску (рус): 
Сопротивление материалов и теория сооружений, 2020, номер 105
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2020, number 105
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
21-105_grigoryeva.pdf
Дата публікації: 
27 October 2020
Номер збірника: 
105
Університет автора: 
Kyiv National University of Construction and Architecture 31, Povitroflotsky ave., Kyiv, Ukraine, 03037
Литература: 
  1. Busch-Vishniac, I.J. Electromechanical Sensors and Actuators. ‑ Springer, New York, 1999. -359р.
  2. Sharapov V.M. i dr. Ehlektroakusticheskie preobrazovateli // V.M. Sharapov, ZH.V. Sotula, L.G. Kunickaya. / Pod red. V.M. Sharapova. – Moskva: Tekhnosfera, 2013.- 296 s. [Sharapov V.M. and other. Electroacoustic converters // V.М. Sharapov, Zh.V. Sotula, L.G. Kunitskaya. / Ed. V.M. Sharapov. - Moscow: Technosphere, 2013.- 296 р. -in Russian].- ISBN 978-5-94836-357-8
  3. Shlyahin D.A. Nestacionarnaya mekhanika ehlektrouprugikh polej v ehlementakh konstrukcij: monografiya / D.A. Shlyakhin. – Samara: SGASU, 2012. – 190 s. [Shlyakhin D.A. Nonstationary mechanics of electroelastic fields in structural elements. – Samara: SGАSU, 2012. – 190 p. -in Russian]. - ISBN 978-5-9585-0516-6
  4. Ikeda, T. Fundamentals of Piezoelectricity. ‒ Oxford University Press, Oxford (1996).
  5. Shulha M.O., Karlash V.L. Rezonansni elektromekhanichni kolyvannia piezoelektry-chnykh plastyn. – K.: Naukova dumka, 2007. – 270 s. [Shul'ga M.O., Karlash V.L. Resonant electromechanical vibrations of piezoelectric plates. ‒ Naukova Dumka, Kyiv. ‒2008. – 270р. -in Ukrainian].
  6. Ding H.J., Wang H.M., Hou P.F. The transient responses of piezoelectric hollow cylinders for axisymmetric plain strain problems. Int. J. of Solids and structures. 2003. Vol. 40. P. 105–123.
  7. Yu J., Ma Q., Su Sh. Wave propagation in non-homogeneous magneto-electro-elastic hollow cylinders. Ultrasonics. 2008. Vol. 48, Issue 8, P. 664–677. doi.org/10.1016/j.ultras.2008.03.005
  8. Shulga M.O., Grigoryeva L.O. Electromechanical unstationary thickness vibrations of piezoceramic transformers at electric excitation // Mechanical Vibrations: Types, Testing and Analysis. − Nova Science Publishers, New York. − 2010. − pp.179-204.
  9. Grigorenko A.YA., Loza I.A. Osesimmetrichnye volny v sloistykh polykh cilindrakh s p'ezokeramicheskimi radial'no polyarizovannymi sloyami // Problemy vychislitel'noj matematiki i prochnosti konstrukcij. - Vyp.17, 2011. - S. 87−95. [A.Ya. Grigorenko, I.A. Loza. Axisymmetrical Waves in the Hollow Multilayered Cylinders with Pizoceramic Lays  Polarized in Radial Direction)// Problems of Computational Mechanics and Strength of Structures. - Iss.17, 2011. P. 87−95. - in Russian].
  10. H.M. Wang, H.J. Ding, Y.M. Chen. Transient responses of a multilayered spherically isotropic piezoelectric hollow sphere. // Arch Appl Mech (2005) 74: 581-599. DOI 10.1007/s00419-005-0374-9
  11. L. Grigoryeva. Calculation of Cylindriclal Multilayer Electromechanical Transducer at Different Polarization Types in Non-stationary Modes // Proceedings of Odessa Polytechnic University, Issue 1(54), 2018.- P. 5-11.
  12. Hryhorieva L.O. Nestatsionarni kolyvannia ploskoho bahatosharovoho piezoelementa z urakhuvanniam pruzhnoho pidkripliuiuchoho sharu y akustychnoho seredovyshcha // Visnyk Zaporizkoho natsionalnoho universytetu. Fizyko-matematychni nauky. - 2017. - № 1. - S. 103-109. [Grigoryeva L.O. Unsteady Vibrations of  Plane Multilayered Piezoelement in View of Elastic Reinforcing Layer and an Acoustic Medium) // Visnyk of Zaporizhzhya National University. Physical and Mathematical Sciences - 2017. - № 1. - Pp. 103-109. – in Ukrainian].
  13. Dubenec V.G., Savchenko E.V., Derkach O.L. Nestacionarnye kolebaniya balki s ehlektrovyazkouprugimi dissipativnymi nakladkami // Visnyk Chernihivskoho derzhavnoho tekhnolohichnoho universytetu № 3 (67), 2013. – S.53-61. [V.H. Dubenets, O.V. Savchenko, O.L. Derkach. Nonstationary Vibrations of a Beam with Electro-Viscoelastic Dissipative Patches // Visnyk of Chernihiv State Technological University № 3 (67), 2013. – С.53-61. - in Russian].
  14. Nasedkin A.V. Modelirovanie piezoehlektricheskikh preobrazovatelej v Ansys. – Rostov-na-Donu: izdatel'stvo Yuzhnogo federal'nogo universiteta, 2015.- 175c. [Nasedkin A.V. Modelling Piezoelectric Transducers in Ansys. - Rostov-on-Don, 2015.- 175р.- in Russian].
  
References: 
  1. Busch-Vishniac, I.J. Electromechanical Sensors and Actuators. ‑ Springer, New York, 1999. -359р.
  2. Sharapov V.M. i dr. Ehlektroakusticheskie preobrazovateli // V.M. Sharapov, ZH.V. Sotula, L.G. Kunickaya. / Pod red. V.M. Sharapova. – Moskva: Tekhnosfera, 2013.- 296 s. [Sharapov V.M. and other. Electroacoustic converters // V.М. Sharapov, Zh.V. Sotula, L.G. Kunitskaya. / Ed. V.M. Sharapov. - Moscow: Technosphere, 2013.- 296 р. -in Russian].- ISBN 978-5-94836-357-8
  3. Shlyahin D.A. Nestacionarnaya mekhanika ehlektrouprugikh polej v ehlementakh konstrukcij: monografiya / D.A. Shlyakhin. – Samara: SGASU, 2012. – 190 s. [Shlyakhin D.A. Nonstationary mechanics of electroelastic fields in structural elements. – Samara: SGАSU, 2012. – 190 p. -in Russian]. - ISBN 978-5-9585-0516-6
  4. Ikeda, T. Fundamentals of Piezoelectricity. ‒ Oxford University Press, Oxford (1996).
  5. Shulha M.O., Karlash V.L. Rezonansni elektromekhanichni kolyvannia piezoelektry-chnykh plastyn. – K.: Naukova dumka, 2007. – 270 s. [Shul'ga M.O., Karlash V.L. Resonant electromechanical vibrations of piezoelectric plates. ‒ Naukova Dumka, Kyiv. ‒2008. – 270р. -in Ukrainian].
  6. Ding H.J., Wang H.M., Hou P.F. The transient responses of piezoelectric hollow cylinders for axisymmetric plain strain problems. Int. J. of Solids and structures. 2003. Vol. 40. P. 105–123.
  7. Yu J., Ma Q., Su Sh. Wave propagation in non-homogeneous magneto-electro-elastic hollow cylinders. Ultrasonics. 2008. Vol. 48, Issue 8, P. 664–677. doi.org/10.1016/j.ultras.2008.03.005
  8. Shulga M.O., Grigoryeva L.O. Electromechanical unstationary thickness vibrations of piezoceramic transformers at electric excitation // Mechanical Vibrations: Types, Testing and Analysis. − Nova Science Publishers, New York. − 2010. − pp.179-204.
  9. Grigorenko A.YA., Loza I.A. Osesimmetrichnye volny v sloistykh polykh cilindrakh s p'ezokeramicheskimi radial'no polyarizovannymi sloyami // Problemy vychislitel'noj matematiki i prochnosti konstrukcij. - Vyp.17, 2011. - S. 87−95. [A.Ya. Grigorenko, I.A. Loza. Axisymmetrical Waves in the Hollow Multilayered Cylinders with Pizoceramic Lays  Polarized in Radial Direction)// Problems of Computational Mechanics and Strength of Structures. - Iss.17, 2011. P. 87−95. - in Russian].
  10. H.M. Wang, H.J. Ding, Y.M. Chen. Transient responses of a multilayered spherically isotropic piezoelectric hollow sphere. // Arch Appl Mech (2005) 74: 581-599. DOI 10.1007/s00419-005-0374-9
  11. L. Grigoryeva. Calculation of Cylindriclal Multilayer Electromechanical Transducer at Different Polarization Types in Non-stationary Modes // Proceedings of Odessa Polytechnic University, Issue 1(54), 2018.- P. 5-11.
  12. Hryhorieva L.O. Nestatsionarni kolyvannia ploskoho bahatosharovoho piezoelementa z urakhuvanniam pruzhnoho pidkripliuiuchoho sharu y akustychnoho seredovyshcha // Visnyk Zaporizkoho natsionalnoho universytetu. Fizyko-matematychni nauky. - 2017. - № 1. - S. 103-109. [Grigoryeva L.O. Unsteady Vibrations of  Plane Multilayered Piezoelement in View of Elastic Reinforcing Layer and an Acoustic Medium) // Visnyk of Zaporizhzhya National University. Physical and Mathematical Sciences - 2017. - № 1. - Pp. 103-109. – in Ukrainian].
  13. Dubenec V.G., Savchenko E.V., Derkach O.L. Nestacionarnye kolebaniya balki s ehlektrovyazkouprugimi dissipativnymi nakladkami // Visnyk Chernihivskoho derzhavnoho tekhnolohichnoho universytetu № 3 (67), 2013. – S.53-61. [V.H. Dubenets, O.V. Savchenko, O.L. Derkach. Nonstationary Vibrations of a Beam with Electro-Viscoelastic Dissipative Patches // Visnyk of Chernihiv State Technological University № 3 (67), 2013. – С.53-61. - in Russian].
  14. Nasedkin A.V. Modelirovanie piezoehlektricheskikh preobrazovatelej v Ansys. – Rostov-na-Donu: izdatel'stvo Yuzhnogo federal'nogo universiteta, 2015.- 175c. [Nasedkin A.V. Modelling Piezoelectric Transducers in Ansys. - Rostov-on-Don, 2015.- 175р.- in Russian].