طراحی و بهینه‌سازی عملگر پیزوالکتریک تحت پیش‌بار با مکانیزم تیر خمیده سازگار

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی ، صفحه 1-8 (8)
کد مقاله : 1114-ISAV2024 (R1)
نویسندگان
کارشناس ارشد
چکیده
در سال‌های اخیر، مواد پیزوالکتریک به دلیل سرعت پاسخ بالا، دقت‌ بسیار زیاد، نیروی تولیدی بالا و ابعاد کم، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار شده‌اند. از طرفی دیگر، به دلیل حساسیت بسیار زیاد مواد پیزوالکتریک به تنش‌های کششی و برشی، نیاز است که این مواد تحت پیش‌بار قرار داشته باشند. در این مقاله، یک عملگر پیزوالکتریک تحت پیش‌بار که در آن از مکانیزم تیرهای خمیده سازگار استفاده شده، طراحی و بهینه‌سازی شده است. عملگر پیزوالکتریک تحت پیش‌بار به صورت جرم-فنر مدلسازی شده و معادلات دینامیکی حاکم بر آن با استفاده از اصل همیلتون به دست آمده‌اند. به منظور بیشینه‌سازی فرکانس‌های طبیعی بنیادین و کمینه‌ کردن جرم فریم، پارامترهای هندسی فریم با استفاده از الگوریتم ژنتیک چند هدفه و توسط نرم‌افزار مودفرانتیر بهینه‌سازی شده‌اند. همچنین با استفاده از نرم‌افزار المان محدود انسیس، مدل سه‌بعدی عملگر پیزوالکتریک تحت پیش‌بار به منظور استخراج فرکانس‌های طبیعی و تنش‌های وارد بر آن صورت گرفته است. سپس با حل تحلیلی معادلات حاکم و استفاده از پارامترهای هندسی بهینه شده، فرکانس‌های طبیعی محوری و تاثیر شتاب هارمونیک و ولتاژ تحریک عملگر پیزوالکتریک تحت پیش‌بار بر یکدیگر مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
کلیدواژه ها
 
Title
Design and optimization of a pre-stressed piezoelectric actuator based on compliant arc-beam mechanism
Authors
Amirreza Haddadi, Salman Farsi, Mohammad Saleh Sadooghi
Abstract
Over recent years, the piezoelectric materials are of interest due to their fast response, high precision, high output loads and compact sizes. On the other hand, due to the high sensitivity of piezoelectric materials to tensile and shear stresses, it is necessary to apply preload on these mate-rials using. In this paper, a novel pre-stressed piezoelectric actuator based on compliant arc-beam mechanisms is designed and optimized. Dynamic governing equations based on spring-mass model are obtained using Hamilton’s principle. To maximize the fundamental natural frequency and min-imize the mass of the frame, the geometric parameters of the frame are optimized by multi-objective genetic algorithm (MOGA) which is conducted by multi-disciplinary MODFRONTIER software. Using ANSYS finite element software, a model of piezoelectric actuator is created to calculate stresses and natural frequencies. Then, by solving analytically the governing equations and using optimal geometrical parameters, the axial natural frequencies and the effect of harmonic accelerations and excitation voltage of piezoelectric stack on each other over a frequency range are investigated.
Keywords
Pre-stressed actuator, Piezoelectric, compliant mechanism, Optimization