ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Литературный обзор 6
1.1 Прямой и обратный пьезоэффект 6
1.2 Виды пьезоэлектрических устройств и их конструкции. Области применения 8
1.3 Метод конечных элементов 13
1.3.1 Типы МКЭ 16
1.3.2 Формы МКЭ 17
1.3.3 Аппроксимация 19
1.3.4 Ошибки метода конечных элементов 20
1.3.5 Применение МКЭ при расчете стержневых систем 22
1.4 Пакеты прикладных программ 27
1.4.1 Программа ANSYS 27
1.4.2 Программа NX Advanced Simulation 31
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования 34
2.1 Испытательное оборудование 34
2.2 Методика проведения испытания 35
2.3 Экспериментальные исследования 35
ГЛАВА 3. Моделирование конструкции пьезодвигателя 38
3.1 Постановка задачи 38
3.2 Разработка CAD модели 39
3.3 Разработка конечно-элементной модели 40
3.4 Результаты моделирования 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
ЛИТЕРАТУРА
Темп развития прецизионных технологий возрастает с каждым годом, с чем неразрывно связано совершенствование систем прецизионного позиционирования (СШ1) для перспективных направлений науки и техники, таких как робототехника, лазерная техника, системы адаптивной оптики, машиностроение и других направлений. При создании современных СШ1 неизбежно возрастают требования к точности, рабочим частотам, генерирующим усилиям и мощности исполнительных элементов (ИЭ) указанных систем. Например, для выполнения ряда задач, связанных с космической отраслью необходимы ИЭ, обеспечивающие амплитуду линейного перемещения 20 - 200 мкм с частотой 50 - 1000 Гц и точностью позиционирования не хуже 0,15 нм с генерирующем усилием до 1000 Н. При этом, ИЭ в составе СПП должны сохранять указанные параметры при воздействии экстремальных условий окружающей среды (высокая температура, радиация и т. д.).
Для космической промышленности одним из важных факторов при разработке новых перспективных систем является малые массогабаритные показатели. Разрабатывается СШ1 для настрой формы отражающей поверхности крупногабаритного рефлектора космического аппарата (КА), требуется провести исследование, направленное на уменьшение массы ИЭ (пьезоэлектрического двигателя), входящего в состав С1Ш.
Цель работы состоит в исследовании влияния выбора материалов и геометрических параметров элементов конструкции на напряженно-деформированное состояние конструкции пьезоэлектрического двигателя при рабочих нагрузках.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих задач:
1. Используя литературные данные, ознакомиться с методами определения механических характеристик материалов и практическим применением метода конечных элементов.
2. Провести экспериментальные исследования с целью определения механических свойств материалов элементов конструкции пьезодвигателя.
3. Сформулировать математическую постановку задачи напряженно-деформированного состояния пьезодвигателя.
4. Разработать метод расчета, написать программу для ЭВМ.
5. Провести параметрические исследования напряженно-деформированное состояние конструкции пьезоэлектрического двигателя при рабочих нагрузках.
Для решения основных задач по теме работы использовались основные положения физики твёрдого тела, теории упругости и аппарат программного конечно-элементного моделирования. Экспериментальные исследования проводились на специальной усталостной установке с помощью встроенного программно-аппаратного комплекса. Полученные данные обрабатывались с использованием методов математической статистики.
Основным результатом работы является разработка алгоритма параметрического построения конструкции пьезоэлектрического двигателя с учетом экспериментально полученных данных механических свойств материалов, позволяющего оценить влияние выбора материалов для изготовления и изменения геометрических размеров элементов конструкции на прочностные и массовые характеристики пьезодвигателя.
Результаты данной работы имеют важное практическое применение при разработке конструкции пьезоэлектрического двигателя.
В ходе написания данной работы была определена и создана математическая модель конструкции пьезодвигателя.
В результате проведенных экспериментальных исследований определены механические характеристики материалов - стали 40Х и алюминиевого сплава Д16, которые используются для изготовления элементов конструкции пьезодвигателя.
При помощи встроенного языка программирования APDL ANSYS разработан алгоритм параметрического построения конструкции пьезодвигателя.
Для выбора оптимального варианта изготовления элементов конструкции пьезодвигателя рассмотрены три варианта комбинации материалов и 10 модификаций выполнения элементов конструкций пьезодвигателя. Определено НДС конструкции пьезодвигателя при выбранных граничных условиях. Анализ результатов расчета показал, что наиболее перспективным модификацией конструкции пьезодвигателя является смешанный вариант изготовления пьезодвигателя с толщиной корпуса 1 мм, толщиной крышки 3 мм и толщиной винта 2,5 мм. При этом масса элементов конструкции пьезодвигателя составит 8,77 г.
Результаты данной работы имеют важное практическое применение при разработке конструкции пьезоэлектрического двигателя.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
