基于压电纤维复合材料的压电泵的设计及实验研究

发布时间：2020-02-18 15:00

【摘要】：本文结合国家自然科学基金项目《压电驱动流体动耦合软体驱动器设计理论与关键技术研究》(项目编号:51405189)和吉林大学研究生创新基金资助项目《基于粗压电纤维复合材料MFC的血泵设计及实验研究》(项目编号:2016072),提出了一种基于压电纤维复合材料的新型压电泵,对其驱动元件进行了理论分析和仿真分析,设计并制作实验样机,搭建实验平台,分别以空气和纯净水作为实验介质测试其输出性能,得到最优结构参数。具体研究工作如下:基于压电材料的本构方程,将结构复杂的压电纤维复合材料简化为横观各向同性材料,进一步地,将三维压电本构方程简化为一维压电本构方程,得到了压电纤维复合材料沿纤维长度方向上的应力-应变关系式,并从理论上探讨了其运动机理。提出了一种基于压电纤维复合材料的新型压电泵,其驱动元件由两片压电纤维复合材料呈十字交叉状粘贴在圆形铍青铜基板表面组成,对其结构及工作原理进行阐述;对新型压电振子进行静力学分析,将作用于基板的横向载荷用有限个集中力代替,推导公式,考察基板任意一点的挠度。使用软件仿真分析,选取压电纤维复合材料的一个最小结构单元作为研究对象探究其变形机理,与传统的压电陶瓷材料利用d31效应产生厚度方向的变形不同,在交变电压的驱动下,压电纤维复合材料利用d33效应沿其长度方向发生伸长和缩短的往复变形。通过仿真探究基板厚度、两片压电纤维复合材料的粘贴角度以及粘贴方式对振子变形量的影响,结果表明,当外界驱动电压频率在振子的一阶共振频率范围内时,振子的变形形状为开口向下的抛物面,且对称性较好,位移从振子外围向中心逐渐增大,振子的变形量随着基板厚度的增加而减小,随着两片压电纤维复合材料的夹角的增大而增大,并且两片压电纤维复合材料呈十字交叉状分别粘贴于基板两侧时新型压电振子的变形量略大于两片压电纤维复合材料粘贴于基板一侧时的情况。设计并制作基于压电纤维复合材料的新型压电泵的实验样机,搭建实验平台并进行实验:选择周边固定支撑条件下的新型压电泵为实验对象,驱动电压220V,频率40Hz,分别测试对苯二甲酸乙二酯(PET)材料和传统的铍青铜材料作为基板时振子的变形量,结果表明,只有当铍青铜材料作为基板时,振子的变形情况近似于向上凸起的拱形,符合实验要求;通过实验测试不同支撑方式对振子变形量的影响,驱动电压范围-500V至1500V,由实验结果可知,周边固定支撑时,系统的一阶固有频率在40Hz-45Hz的范围内,简支边界支撑时,系统的一阶固有频率为12Hz,且简支边界支撑时振子的变形量远大于周边固定支撑时的情况;分别以空气和纯净水作为实验介质,测试不同阀片厚度、泵腔高度、进出口直径对压电泵输出性能的影响,结果表明,空气作为实验介质时,压电泵的最优结构参数为阀片厚度0.025mm,泵腔高度0.2mm,出入口孔直径5mm,其输出性能在驱动频率25Hz-30Hz时最好,驱动频率为25Hz对应的最大输出流量为380.88ml/min;纯净水作为实验介质时,压电泵的最优结构参数为阀片厚度0.05mm,泵腔高度0.2mm,出入口孔直径4mm,驱动频率15Hz对应的最大输出流量为28.7ml/min。
【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

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 阚君武,杨志刚,程光明;压电泵的现状与发展[J];光学精密工程;2002年06期

2 焦小卫,黄卫清,赵淳生;压电泵技术的发展及其应用[J];微电机(伺服技术);2005年05期

3 曾平;林敬国;程光明;杨志刚;吴博达;刘国君;;整体开启阀微型压电泵实验研究[J];压电与声光;2006年05期

4 程光明;李鹏;杨晓冬;阚君武;;主动阀压电泵的设计[J];排灌机械;2007年05期

5 何秀华;蒋权英;张睿;杨嵩;;被动阀压电泵的动力学模型及其求解[J];排灌机械;2007年06期

6 王晓伟;刘建亭;路计庄;刘安;;Y形流管无阀压电泵结构特性探析[J];煤矿机械;2008年06期

7 何秀华;张睿;杨嵩;邓许连;蒋权英;;V型无阀压电泵的流场分析[J];农业机械学报;2008年10期

8 贺琳;纪秀;郑文;杨志刚;;新型金属阀在小型压电泵中的应用[J];压电与声光;2011年01期

9 孙静;鲁海龙;;微型主被动阀结合式压电泵的试验研究[J];科技创新与应用;2014年11期

10 李军,吴博达,程光明,杨志刚;收缩管/扩张管型无阀压电泵的工作原理[J];压电与声光;2000年06期

相关会议论文 前9条

1 孙健;孙启健;刘彦菊;冷劲松;;一种基于柔性放大机构的压电叠堆泵设计[A];复合材料：创新与可持续发展(下册)[C];2010年

2 黄俊;张建辉;;“Y”锥组合流管无阀压电泵的原理与实验验证[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年

3 刘汉旭;张铁民;;双腔同步驱动无阀大流量压电泵有限元分析[A];农业工程科技创新与建设现代农业——2005年中国农业工程学会学术年会论文集第一分册[C];2005年

4 袁又春;黄卫清;赵淳生;;收缩/扩张管型无阀压电泵泵腔流体仿真[A];第十一届中国小电机技术研讨会论文集[C];2006年

5 胡笑奇;张建辉;黄毅;夏齐宵;黄卫清;;一种仿生型无阀压电泵的研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集（2011）下册[C];2011年

6 王亮;张建辉;胡笑奇;王克;;摆动振子参数与尾鳍式无阀压电泵工作能力关系的实验研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集（2011）下册[C];2011年

7 皋路;张建辉;胡笑奇;黄毅;;压电双晶片结构的仿尾鳍式无阀泵改进研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集（2011）下册[C];2011年

8 黄合成;孙洪昌;马苑学;;一种矩形压电振子式主动阀压电泵的研究[A];创新驱动，，加快战略性新兴产业发展——吉林省第七届科学技术学术年会论文集（上）[C];2012年

9 高建民;唐为奇;;新型无阀微压电泵的微流场仿真及设计[A];农业机械化与新农村建设——中国农业机械学会2006年学术年会论文集（下册）[C];2006年

相关重要报纸文章 前1条

1 记者王华楠;我国研发成功压电精密驱动技术[N];中国技术市场报;2010年

相关博士学位论文 前10条

1 吴丽萍;扁锥腔无阀压电泵理论与实验研究[D];吉林大学;2008年

2 董景石;微型精密压电泵设计理论及其应用技术研究[D];吉林大学;2012年

3 刘勇;轮式阀微型压电泵的设计理论及试验研究[D];吉林大学;2012年

4 姜德龙;多腔串联压电泵结构设计及关键技术研究[D];吉林大学;2013年

5 吴越;压电泵动力学分析与优化设计[D];吉林大学;2013年

6 纪晶;半球缺阻流体无阀压电泵的研究[D];南京航空航天大学;2014年

7 黄俊;流阻差型无阀压电泵的原理与试验研究[D];南京航空航天大学;2013年

8 陈松;液体压电泵中气泡控制的机理、方法及效果研究[D];吉林大学;2016年

9 杨嵩;基于附壁效应的新型无阀压电泵[D];江苏大学;2015年

10 陈建;基于振动滤波器的压电泵研究[D];中国科学技术大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 李立安;多腔串联压电泵的设计及其在直线马达中的试验研究[D];吉林大学;2009年

2 杨嵩;基于数值模拟的三通扩散/收缩管无阀压电泵设计及性能研究[D];江苏大学;2009年

3 张波;新型压电泵的结构设计及动态系统建模[D];哈尔滨工业大学;2008年

4 董景石;悬臂梁阀压电泵理论及应用研究[D];吉林大学;2004年

5 路计庄;新型无阀压电泵开发与压电泵工作噪声的研究[D];北京工业大学;2007年

6 袁又春;收缩管/扩张管型无阀压电泵的研究[D];南京航空航天大学;2006年

7 刘健;针对不同粘度液体压电泵的设计与实验研究[D];吉林大学;2008年

8 吴迪;液体混合用多入口压电泵的研究[D];吉林大学;2012年

9 朱佳炜;平面扩散收缩管无阀压电泵内部流场瞬态特性理论分析及实验研究[D];江苏大学;2016年

10 王志军;基于合成射流原理的无阀气体压电泵的仿真分析和试验研究[D];吉林大学;2016年

本文编号：2580743