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压电纤维驱动型摆动式压电泵的设计及试验研究

发布时间:2018-10-30 16:49
【摘要】:本文结合仿鱼尾式压电泵和压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC),提出了一种压电纤维驱动型摆动式压电泵,其具有结构简单、工作无噪音、无回流等优点,在压电泵发展以及压电纤维的应用方面进行了一些尝试性工作。本文的研究内容主要包括以下几个方面:压电纤维粘结铍青铜基板形成本文所采用的驱动器。利用经典层合板理论对压电纤维驱动器的曲率和基板厚度、弹性模量之间的关系进行分析;建立摆动式压电泵的工作模型简图,分析摆动式压电泵的工作原理,并推导其理论流量。对压电纤维和压电纤维驱动器进行静力学分析,分析压电纤维的工作机理,得出压电纤维驱动器最大振幅随基板厚度的变化规律:随着基板厚度的增加,驱动器最大振幅逐渐减小;对压电纤维驱动器进行模态分析,获取其前四阶振型及固有频率,分析确定压电纤维驱动器的一阶振型适合作为摆动式压电泵的驱动振型。搭建了压电纤维驱动器试验测试系统,对粘结不同厚度基板的压电纤维驱动器进行一阶固有频率和最大振幅的测定,试验结果表明:随着基板厚度的增加,压电纤维驱动器的一阶固有频率逐渐增加,最大振幅逐渐下降;对一阶共振频率下压电纤维驱动器的整体变形进行测定,结果表明:压电纤维驱动器的变形量从固定端到自由端逐渐增大,呈尾部翘曲状态,和仿真结果一致。总体看来,基板材料相同时,基板厚度越小,压电纤维驱动器总体振幅越大。设计了左进右出、左进上出、上进右出三种结构形式的摆动式压电泵,利用仿真软件对泵内流体和压电纤维驱动器进行流固耦合仿真分析,结果表明其流量分别为458 ml/min、68ml/min、263ml/min,所以左进右出结构形式的摆动式压电泵性能更优,以下研究均采用左进右出结构形式,即进出口位于同一条直线上,进口在驱动器的固定端前面,出口位于驱动器自由端后面。通过0T、1/4T、2/4T、3/4T时刻的速度分布图和速度矢量图,对左进右出结构形式摆动式压电泵的工作过程进行重点分析。通过仿真研究泵出口和压电纤维驱动器端部距离、驱动器基板厚度对摆动式压电泵输出流量的影响。仿真结果表明:当泵出口和压电纤维驱动器端部之间的距离从1mm变化到5mm时,随着两者之间距离的增大,其输出流量急剧下降;基板厚度从0.2mm变化到0.6mm时,随着基板厚度的增加,摆动式压电泵的输出流量逐渐升高。研制了摆动式压电泵试验样机,搭建了压电泵测试系统,在保证其他参数一致的条件下,对影响摆动式压电泵性能的五个主要参数(泵出口和驱动器端部距离、驱动器基板厚度、柔性尾长度、出口直径、进口直径)进行试验研究。试验结果表明:当泵出口和驱动器端部之间的距离逐渐增大时,摆动式压电泵的输出流量急剧下降,当距离为1mm时,其输出流量为158ml/min,当距离增大到5mm时,摆动式压电泵的输出流量减少为8.6ml/min,当距离大于5mm时,几乎检测不到流量;基板厚度从0.2mm变化到0.6mm,以0.1mm为间隔时,摆动式压电泵的输出流量逐渐增大;当柔性尾长度从2mm变化到6mm时,摆动式压电泵的输出流量随着柔性尾长度的增大先增加后减小,柔性尾长度为4mm时,其流量获得最大值321ml/min;随着出口直径的增大,摆动式压电泵的流量先增大后减小,出口直径为7mm时,摆动式压电泵的输出性能最优,最大输出流量为458ml/min;进口直径对摆动式压电泵输出流量的影响不明显。
[Abstract]:In this paper, a piezoelectric fiber-driven oscillating piezoelectric pump is proposed in combination with a fish-tail piezoelectric pump and a piezoelectric fiber composite (MFC), which has the advantages of simple structure, no noise, no reflux and the like. Some tentative work has been done on the development of piezoelectric pump and the application of piezoelectric fiber. The research contents of this paper mainly include the following aspects: the piezoelectric fiber is bonded to the bronze base plate to form the driver adopted in this paper. The relation between the curvature of the piezoelectric fiber driver and the thickness and elastic modulus of the piezoelectric fiber driver is analyzed by using the classical laminated plate theory, and the working model diagram of the oscillating piezoelectric pump is established, the working principle of the oscillating piezoelectric pump is analyzed, and the theoretical flow rate is derived. Based on the statics analysis of piezoelectric fiber and piezoelectric fiber driver, the working mechanism of piezoelectric fiber is analyzed, and the change law of maximum amplitude of piezoelectric fiber driver with substrate thickness is obtained: with the increase of the thickness of the substrate, the maximum amplitude of the driver decreases gradually; Modal analysis of the piezoelectric fiber driver is carried out to obtain the first-order mode shape and the natural frequency of the piezoelectric fiber driver, and the vibration mode of the piezoelectric fiber driver is determined to be suitable as the driving mode of the oscillating piezoelectric pump. A piezoelectric fiber driver test and test system was constructed. The first order natural frequency and the maximum amplitude of the piezoelectric fiber driver bonded to different thickness substrates were measured. The experimental results show that as the thickness of the substrate increases, the natural frequency of the piezoelectric fiber driver increases gradually. The results show that the deformation of the piezoelectric fiber driver increases gradually from the fixed end to the free end, the tail warp state and the simulation result agree with each other. In general, when the substrate material is the same, the smaller the substrate thickness, the larger the overall amplitude of the piezoelectric fiber driver. In this paper, we designed a swing type piezoelectric pump with left inlet and right exit, left inlet and right outlet. The simulation software was used to analyze the flow and solid coupling of fluid and piezoelectric fiber driver in pump. The results showed that the flow rate was 458 ml/ min, 68ml/ min, 263ml/ min, respectively. Therefore, the performance of the swing piezoelectric pump in the left-right-out structure mode is better, and the following research adopts the left-in right-out structure form, namely, the inlet and the outlet are positioned on the same straight line, the inlet is in front of the fixed end of the driver, and the outlet is positioned behind the free end of the driver. Based on the velocity profile and velocity vector diagram of 0T, 1/ 4T, 2/ 4T and 3/ 4T, the working process of the swing piezoelectric pump in the left-right-out structure is analyzed. The influence of the thickness of the driver board on the output flow of the oscillating piezoelectric pump is studied by simulating the distance between the pump outlet and the end of the piezoelectric fiber driver. The simulation results show that when the distance between the pump outlet and the piezoelectric fiber driver end is changed from 1mm to 5mm, the output flow drops sharply as the distance between the pump outlet and the piezoelectric fiber driver end is changed from 0. 2mm to 0. 6mm. With the increase of the thickness of the substrate, the output flow rate of the swing piezoelectric pump is gradually increased. A test prototype of a swing piezoelectric pump was developed, and a piezoelectric pump test system was built. Five main parameters (pump outlet and driver end distance, driver substrate thickness, flexible tail length and outlet diameter) affecting the performance of the oscillating piezoelectric pump were obtained under the condition that other parameters were consistent. The inlet diameter) was tested. The test results show that when the distance between the pump outlet and the driver end gradually increases, the output flow of the swing piezoelectric pump drops sharply. When the distance is 1mm, the output flow rate is 158ml/ min. When the distance is increased to 550mm, the output flow rate of the swing piezoelectric pump is reduced to 8. 6ml/ min. when the distance is more than 5mm, the flow rate is hardly detected; the thickness of the substrate is changed from 0.2mm to 0.6mm, and the output flow rate of the swing piezoelectric pump is gradually increased when the distance is 0. 1mm; when the length of the flexible tail is changed from 2mm to 6mm, The output flow of the swing type piezoelectric pump decreases with the increase of the length of the flexible tail, and the flow rate of the swing type piezoelectric pump reaches the maximum value of 321ml/ min when the length of the flexible tail is 4mm; as the diameter of the outlet increases, the flow rate of the oscillating piezoelectric pump is reduced firstly, and the outlet diameter is 7mm, The output performance of the oscillating piezoelectric pump is optimal, the maximum output flow rate is 458ml/ min, and the influence of the inlet diameter on the output flow rate of the oscillating piezoelectric pump is not obvious.
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH38

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本文编号:2300588

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