压电泵的流固耦合仿真分析及试验研究

发布时间：2017-05-02 22:08

  本文关键词：压电泵的流固耦合仿真分析及试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：压电泵是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过改变泵腔容积而实现对流体定向输送的一种新型流体驱动装置，具有结构简单、能耗低、体积微小、不受电磁干扰等优点。压电泵可通过施加一定电压幅值和频率的驱动信号，实现对输出流量的精密控制，在航空航天、生物医疗、微型机械、汽车等领域具有广阔的应用前景。目前，国内外对压电泵的驱动元件压电振子与流体在耦合状态下相互作用的系统分析比较少，因此本文提出利用结构分析软件ANSYS和流体分析软件ANSYS CFX对无阀压电泵进行流固耦合仿真分析，研究在流固耦合作用下压电泵内流体的流动形态和流速分布情况，为进一步提高压电泵的输出性能奠定理论基础。主要研究内容如下： 1.压电泵的研究现状分析 对压电泵的研究现状及其应用领域进行了分析，并结合国内外关于压电泵的仿真分析现状，基于结构分析软件ANSYS和流体分析软件ANSYS CFX，提出对无阀压电泵进行流固耦合仿真分析，既可以求解在电场作用下因压电振子变形而引起的流场变化，又可以求解变形后的流场对压电振子所传递的反作用力使整个压电振子所产生的变形量，综合考虑了流体特性和振子的结构特性，分析了压电振子与流体相互耦合作用的整个过程，在有效节约分析时间和成本的同时还能保证仿真结果更接近于压电泵工作时的真实流量规律，能够更准确地预测压电泵的输出特性。 2.压电基础理论与流固耦合基础理论分析 根据压电学基础知识，本文设计制作的压电泵其驱动元件选用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)，压电振子的振动模式采用电场垂直于电轴方向的长度伸缩模式，压电振子的支撑方式为简支支撑。建立了圆形双晶片压电振子的动力学模型，从工作原理和数学理论两个方面分析其自感知特性，推导出压电振子执行元件的驱动电压与传感元件的感知电压之间的关系式。通过研究流固耦合的相关理论知识，选用分离解法来求解本文中关于无阀压电泵的双向流固耦合问题，求解器选用ANSYS提供的MFX-multiple code多场求解器，，并对其所拥有的两种数据传递插值方式进行了对比分析，最终选取conservative插值方式来实现压电振子与流体区域耦合面之间数据的精确传递。 3.进/出水口分布位置不同的三种无阀压电泵的流固耦合仿真分析 为了研究压电泵进/出水口分布位置不同对其输出性能所产生的影响，针对进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置这三种形式的无阀压电泵的结构特点和工作原理进行了分析。利用ANSYS软件建立了压电泵的核心动力元件压电振子及流体区域的三维几何模型，对压电振子进行了静力学分析、模态分析、谐响应分析等一系列有限元仿真分析，并依据流体实际的工作条件，在流体分析软件CFX中设定了其相应的模拟类型、边界条件以及初始条件等属性。在此基础上，对进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置这三种形式的无阀压电泵进行了流固耦合仿真分析，仿真结果显示：出口在中间的压电泵相比于另外两种压电泵来说其宏观输出流量最大。 4.进/出水口分布位置不同的三种压电泵的试验分析 分别设计制作了进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置三种形式的无阀压电泵和有阀压电泵的试验样机，并搭建了试验测试平台，对其流量特性进行了测试，试验结果显示： 在电压幅值为45V的正弦交流信号激励下，进口在中间、出口在中间、进出口对称布置三种形式的无阀压电泵的出水频率带宽均为0到13Hz，而且频率范围为0到10Hz时，三种形式压电泵的输出流量均随着驱动频率的增加而增加，在10Hz频率点时输出流量均达到最大，分别为3.8ml/min、6.0ml/min和4.0ml/min；10Hz以后，三种形式压电泵的输出流量均随驱动频率的降低而降低，并最终均减小至零。在整个泵水过程中，出口在中间的压电泵其输出流量最大，工作性能最好，与流固耦合仿真分析的结果相吻合。 对于进口在中间、出口在中间、进出口对称布置的三种形式的有阀压电泵，在45V正弦交流电压激励作用下，当驱动电源频率在0到10Hz范围内时，其输出流量均随驱动频率的增大而增大，10Hz以后，输出流量均随驱动频率的增大而减小，最大流量出现在10Hz频率点左右，分别为37.0ml/min、41.1ml/min、39.8ml/min，佐证了流固耦合仿真分析得出的出口在中间的压电泵其输出流量最大的结论。
【关键词】：压电泵 流固耦合 仿真 有限元分析
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 压电泵的分类及国内外研究现状12-19
• 1.2.1 压电泵的分类12
• 1.2.2 压电泵的国内外研究现状12-19
• 1.3 压电泵仿真分析的国内外研究现状19-21
• 1.4 本文的选题意义和研究的主要内容21-23
• 第2章 圆形双晶片压电振子的理论分析23-33
• 2.1 压电基础理论分析23-25
• 2.1.1 压电效应23-24
• 2.1.2 压电材料24
• 2.1.3 压电陶瓷的振动模式24-25
• 2.2 压电泵驱动元件的选择与分析25-31
• 2.2.1 压电泵驱动元件的选取25-27
• 2.2.2 圆形压电振子的支撑方式27
• 2.2.3 压电振子的自感知特性27-31
• 2.3 本章小结31-33
• 第3章 压电泵的流固耦合仿真分析33-57
• 3.1 流固耦合仿真分析基本理论33-37
• 3.1.1 压电泵流固耦合的求解方法33-34
• 3.1.2 流固耦合分析的分类34
• 3.1.3 ANSYS 多场求解器的选取34-35
• 3.1.4 压电振子与流体域耦合面的数据传递35-36
• 3.1.5 网格映射和数据交换类型36-37
• 3.1.6 ANSYS 流固耦合分析的设置方式37
• 3.2 压电振子有限元模型的建立37-45
• 3.2.1 仿真相关参数39-40
• 3.2.2 几何模型的建立及单元划分40
• 3.2.3 施加载荷约束40-41
• 3.2.4 压电振子的仿真分析41-45
• 3.3 流体有限元模型的建立45-48
• 3.3.1 流体几何模型的建立及网格划分46-47
• 3.3.2 CFX 中流体仿真模型的设定47-48
• 3.4 流固耦合仿真的求解设置48-49
• 3.5 压电泵流固耦合仿真的结果分析49-54
• 3.6 本章小结54-57
• 第4章 进/出水口分布位置不同的压电泵的试验研究57-71
• 4.1 进/出水口分布位置不同的压电泵的制作与测试方法57-62
• 4.1.1 压电泵试验样机的制作57-61
• 4.1.2 压电泵输出性能测试系统搭建61-62
• 4.2 对无阀压电泵输出流量的试验测试62-63
• 4.2.1 锥角对无阀压电泵输出流量的影响62-63
• 4.2.2 进/出水口的位置分布对无阀压电泵输出流量的影响63
• 4.3 对有阀压电泵输出流量的试验测试63-70
• 4.3.1 结构参数对有阀压电泵输出流量的影响63-66
• 4.3.2 进/出水口的位置分布对有阀压电泵输出流量的影响66-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第5章 结论与展望71-73
• 5.1 结论71-72
• 5.2 展望72-73
• 参考文献73-76
• 作者简介76-77
• 致谢77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 程仁志;杨培霞;程冬梅;;压电陶瓷的应用进展与发展趋势[J];河南教育学院学报(自然科学版);2009年03期

2 孙晓锋;李欣欣;杨志刚;刘九龙;程光明;;带整体开启阀的双腔串联压电薄膜泵[J];吉林大学学报(工学版);2006年04期

3 吴博达;张志宇;孙晓峰;杨旭;程光明;杨志刚;;流量最佳频率为50 Hz的压电泵特性[J];吉林大学学报(工学版);2008年S1期

4 张建辉,王大康,王守印,小贯晃义;压电泵的研究——泵阀滞后性[J];机械工程学报;2003年05期

5 白兰;冯志庆;吴一辉;;无阀微泵动态特性的固液耦合分析[J];机械工程学报;2008年07期

6 刘登云;杨志刚;程光明;曾平;;压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究[J];机械与电子;2007年03期

7 黄国平;李百明;肖勇;邱萍;;压电材料的发展与展望[J];科技广场;2010年01期

8 梁莉;马旭;张铁民;;圆环型压电蠕动泵的结构设计与仿真[J];农业工程学报;2012年11期

9 邓凯;陈可娟;;双压电驱动微泵泵膜的ANSYS仿真和结构优化分析[J];机械设计与制造;2013年01期

10 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

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本文编号：341766