Mô phỏng dao động máy phát áp điện dạng tấm tròn bằng phần mềm ANSYS

NGHIÊN CỨU-TRAOĐỒI MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG MÁY PHÁT ÁP ĐIỆN DẠNG TẤM TRÒN BẰNG PHẦN MỀM ANSỸS SIMULATION OF OSCILLATIONS OF A CIRCULAR PLATE PIEZOELECTRIC GENERATOR USING ANSYS SOFTWARE Tạ Trung Dũng Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng Thương TÓM TẮT Trong báo này, dao động áp điện sử dụng thiết bị chuyển đổi tích trữ lượng mơ phần mềm ANSYS phương pháp phần tử hữu hạn Thành phần máy phát áp điện cấu tạo từ hai phần tử chủ động (PZT-4 CoFe,O4) phẩn tử bị động kim loại (Fe) Kết nghiên cứu phụ thuộc tần số cộng hưởng vào kích thước phẩn tử chủ động Từ khóa: Phương pháp phần tử hữu hạn; Phấn mềm ANSYS; Dao động; Vật liệu áp điện; Máy phát điện ABSTRACT In this paper, the oscillation ofpiezoelectric plates used in energy conversion or storage devices is simulated in ANSYS software by finite element method The main component of a piezoelectric generator consist of two active elements (PZT-4 and CoFe2O4) and a metal passive element (Fe) The research results show the dependence of the resonantfrequency on the size of the active elements Keywords: Finite element method; ANSYS software; Oscillation; Piezoelectric material; Electric generator l.ĐẶTVẤN ĐẾ sử dụng chế tạo loại cảm biến ô tô, máy bay hay thiết bị đo [1, 4-7] Vật liệu áp điện ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực y tế, hàng không, điện tử sở hữu khả chuyển hóa thành điện ngược lại Với ưu điểm nhỏ gọn ổn định sử dụng mô tơ động điện nên vật liệu áp điện dùng để thay cho động điện hoạt động không gian hẹp Khi sử dụng vật liệu áp điện, điện chuyển hóa từ gần tức nên chúng Mơ hình nghiên cứu báo máy phát điện cấu tạo từ hai phần tử chủ động (PZT-4 CoFe2O4) có kích thước phần tử bị động (Fe) dạng tròn cố định liên kết lể xung quanh (hình 1) Các bề mặt áp điện PZT-4 điện cực hóa, điện đặt điện cực, điện cực thứ hai tự nối với mạch điện bên ngoài, kết nối với thiết ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số năm 2022 cokhivietnam.vn/tapchicokhi.com.vn 11 NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI bị tích trữ lượng Tấm áp từ CoFe2O4 đặt từ trường thay đổi dẫn đến dao ,_ ,_ , T I _ _ _ £=-^Vu + ('Vu) j: E = -Vự>: H=-V0 (3) động máy phát áp điện dịng điện sinh Dao động máy phát áp điện mơ phần mểm ANSYS Trong đó: £ - tensor ứng suất biến dạng, D E - véc tơ cảm ứng điện cường độ điện trường, B H - véc tơ cảm ứng từ cường độ từ trường, p - khối lượng riêng, c - tensor hệ số đàn hồi, e - tensor hệ số áp điện, h - tensor hệ số áp từ, K - tensor độ điện thẩm, a - tensor số điện từ, p - tensor độ từ thẩm, f - véc tơ mật độ lực khối, - mật độ điện tích, u - véc tơ chuyển vị, ọ ộ - điện từ Hình Mơ hình máy phát áp điện [7], Hệ phương trình tổng quát biểu VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứù thức xác định cho mơ hình hệ áp điện - áp từ bao gổm [1]: V-ơ + yơí = /ni V-D = c~o Các số vật liệu áp điện PZT-4 vật liệu áp từ CoFe,O4 trình bày bảng [3, 4] V-B = o (1) = c.£—e7 E—hjT H (2) D = ei£+KE + aH B =h £+aJ E + p H Bảng Hằng số vật liệu PZT-4 n '“li’ GPa 139 Qi’ GPa GPa 77,8 74,3 ^■"33’ GPa e31,c/ m2 ’'“'■44, GPa e33 c/ m ei5, c/ ^1Ị / £a m2 k /P /v33 c0 _ 115 -5,2 25,6 15,1 12,7 730 635 £0 = 8,85xlOl2F/m, khối lượng riêng PZT-4: p= 7500 kg/m3 Bảng Hằng số vật liệu CoFe2O4 Hl’ GPa 286 CỈL GPa '“13 ’ GPa C-; ;, GPa 173 170 269,5 $ GPa 45,3 i S3 N/Am N/Am N SỸC2, N s2/c2, 580,3 699,7 550 5,9x10“ l,57xl0'4 Khối lượng riêng CoFefip p= 5290 kg/m3 ISSN 2615-9910 12 Q15’ Ổ33’ N/Am TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, sổ năm 2022 cokhivietnam.vn/tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU-TRAOĐỒI Trong phần mềm ANSYS, kim loại chuyển vị theo phương thẳng đứng (hình 3a) (Fe) mơ hình hóa phần tử PLANE42, áp điện áp từ mơ hình hóa phần tử PLANE13 Để đạt độ xác cần phân bố điện thế, từ thê' (hình 3b) cấu số phản cộng hưởng thứ f - 11675 kHz thiết, kích thước phần tử hữu hạn kim loại thiết lập nhỏ 1/5 chiếu dày Kích thước phấn tử hữu hạn áp điện áp từ thiết lập theo chế độ tự động chia lưới Lưới phấn tử hữu hạn mơ tả hình Hình Tấn số cộng hưởng Hình thể phụ thuộc tần số cộng hưởng f máy phát áp điện vào bán Để tính tốn tần số cộng hưởng thiết bị, điện thiết lập mặt phẳng 2, từ thê' thiết lập mặt phẳng 3, từ thông từ hướng thẳng đứng lên xuyên qua mặt phẳng kính rp độ dày hp rp thay đổi khoảng 6,8 đến 9,8 mm, hp thay đổi khoảng 0,3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN đến 0,7 mm Trong khoảng xem xét, số cộng hưởng f đạt giá trị lớn rp hp lớn Dao động máy phát áp điện mô sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phẩn mềm ANSYS Kết mô trạng thái ứng suất biến dạng phân bố điện thế, từ thê' cẩu dải tần số thấp Ngồi ra, nghiên cứu cịn làm rõ ảnh hưởng kích thước phấn tử chủ động đến tần số cộng hưởng kết cấu Từ đó, kết nghiên cứu làm sở cho việc đặt giả thuyết giải tốn phương pháp giải tích