基于COMSOL Multiphysics的新型压电驱动器仿真分析
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 新型压电驱动器的建模与材料参数设定
2.1 新型压电驱动器的建模 考虑到压电分析时袁结构和电场的相互作用袁本
文选择在 COMSOL Multiphysics 软件下袁利用其结构 力学分析模块进行压电分析遥 压电设备接口通过模 拟压电所需的本构关系耦合固体力学和静电袁 可以 模拟正/逆压电效应袁其中压电耦合可以使用应变-电 荷或应力-电荷形式袁本文选用的是应力-电荷形式遥
1 新型压电驱动器工作原理
新型位移放大压电驱动器主要包括压电陶瓷叠 堆和弹性外框袁 其中弹性外框的弹簧钢由 60Si2Mn 材料制作袁大大增加了其刚度遥 压电陶瓷叠堆驱动器 受到预紧力作用固定在弹性外框内[4]袁如图 1 所示遥
-10
-5
0
5
10
5
0
-5
图 1 新型压电驱动器工作结构图
收稿日期：2019-01-03 作者简介：李 旭渊 1983-冤 袁男袁辽宁本溪人袁讲师袁本科袁主要从事机电控制技术研究遥
晌上 上
13.5
6.8
6.8
0
0
上
上 上 上
6.8
13.5
6.8
0
0
上
CE =
上 上 上
6.8
上
0 上
上 上
6.8 11.3 0 0 0 0 2.2 0
上
0 上
上 上
0
0 0 2.2
上
0 0 上
上 尚
000
0 裳梢 梢
梢
0梢 梢 梢
梢
0梢 梢 梢
梢
0梢 梢 梢
梢
0梢 梢 梢
梢
3.3
梢 梢 捎
伊 1010
中图分类号：TM35
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2019）04-0124-04
0 引言
随着材料科学技术的进步袁压电材料应用越来越 广泛袁尤其在半导体工艺尧激光雷达等领域中袁以压电 材料为核心材料的激光扫描器应用广泛遥 压电光学扫 描器一般使用压电陶瓷驱动器进行直接驱动袁在自适 应光学补偿中被广泛使用遥 压电陶瓷由于驱动位移量 小袁 在扫描器频率较高情况下会造成扫描角度小袁限 制了压电陶瓷的应用遥 为改善传统压电陶瓷驱动位移 量小的缺点袁国内外相关研究机构设计了多种具有位 移放大功能的压电驱动器袁 其主要使用杠杆放大原 理袁 应用在多种微位移驱动机构领域遥 虽然具有位 移放大功能的压电驱动器的杠杆式位移放大机构能 够提升位移检测精度袁但是它的谐振频率较低袁不适 用于压电驱动器高频动态应用环境遥
激光雷达应用领域需要激光光束产生低转动惯 量高频率进行匀速扫描袁但是目前光束扫描器渊 如检 流计式振镜尧多面转镜等冤 很难满足该需求遥 因此很 多学者研究了一种弹性外壳式位移放大压电驱动结 构袁这种结构具有更好的高频动态特性袁且较传统压 电扫描器具有更高的扫描频率与更大的扫描角度遥 结合软件补偿与串联硬件陷波器的开环控制方法袁 能够有效补偿压电陶瓷迟滞效应以及对机械谐振具 有很好的抑制作用袁最终实现了高频匀速扫描[1-3]遥
Equipment Manufacturing Technology No.04袁2019
源自文库
基于 COMSOL Multiphysics 的新型 压电驱动器仿真分析
李旭
渊 海沧区职业中专学校袁福建 厦门 361021冤
摘 要：激光扫描器是一种光学距离传感器袁通常需要很好的高频特性袁而一般激光扫描器很难达到这种要求袁针对此问 题袁设计一种基于 C O M SO L M u ltip h y sics 的新型压电驱动器遥 压电驱动器作为激光扫描器的核心部件袁它的性能很大程 度上影响了激光扫描器的性能遥 选用 C O M SO L M u ltip h y sics 多物理场耦合软件袁并采用有限元方法对新型压电驱动器进 行仿真袁分析了其特征频率尧频域尧瞬态特性遥特征频率尧频域特性分析得到了新型压电驱动器的固有频率袁瞬态分析得到 了其随时间变化的位移图袁并通过与传统压电驱动器的仿真比较袁得出了其具有更好的高频动态特性尧 更大的位移放大 率的优点遥 关键词：压电驱动器曰C O M SO L M u ltip h y sics曰有限元仿真分析曰瞬态分析曰机 - 电耦合
压电驱动器是激光扫描器的核心部件袁 所以激
光扫描器的使用性能主要受其影响遥 由于采用一般 解析的方法计算压电驱动器的显性解较为困难袁故 首先利用有限元方法进行仿真分析遥 考虑到压电材 料的参数定义比较复杂等分析因素袁 本文利用 COMSOL Multiphysics 多物理场耦合软件的压电模块 对新型压电驱动器进行有限元仿真分析遥 分析得出 了该压电驱动器性能的显性解袁 获得了相关工作性 能参数袁 为该压电驱动器的研究和广泛利用提供了 一定的参考价值遥
渊 1冤
0 0 晌上
上
上
C = 0 上
上
B
上 上
0
上
上 尚上
9.8
0
-1.8
0
0
-1.8
裳梢 梢
124
叶 装备制造技术曳 2019 年第 04 期
当给压电陶瓷施加电压时袁 即压电陶瓷的左右 两端面分别施加一定电压与接地袁 基于压电材料的 逆压电效应袁 压电陶瓷由于压电效应会沿电压方向 伸缩变化袁使得弹性外框产生变形袁在与压电陶瓷横 向方向也会产生相应的伸缩变化遥 因此袁新型压电驱 动器实际上将其横向运动转化为弹性外框的纵向运 动袁且具有一定的位移放大的功能遥
本文综合考虑了压电陶瓷叠堆和弹性外框的材 料遥 压电陶瓷叠堆渊 图 2冤 选用了 COMSOL Multiphysics 里面自带的压电材料 PZT-2袁其密度为 7 600 kg/m3遥
y zx
图 2 压电陶瓷叠堆
其它主要参数包括弹性矩阵 CE渊 Pa冤 尧耦合矩阵 C渊B C/m2冤 以及相对介电常数值如下院
首先袁 利用三维建模软件 SolidWorks 对新型压 电驱动器进行三维建模袁 其中压电陶瓷叠堆的参数 为 5 mm 伊 5 mm 伊 18 mm袁其整体模型如图 1 所示遥 建模完毕后袁 利用 COMSOL Multiphysics 的 CAD 导 入模块将模型导入压电设备模块遥 COMSOL Multi原 physics 的 CAD 导入模块支持多种 CAD 文件格式袁 可 与 SolidWorks袁Pro/ENGINEER袁Autodesk Inventor 双向连接袁便于进行结构参数化设计袁且可自定义导 入误差尧修复缺陷遥 2.2 新型压电驱动器的材料参数设定
2.1 新型压电驱动器的建模 考虑到压电分析时袁结构和电场的相互作用袁本
文选择在 COMSOL Multiphysics 软件下袁利用其结构 力学分析模块进行压电分析遥 压电设备接口通过模 拟压电所需的本构关系耦合固体力学和静电袁 可以 模拟正/逆压电效应袁其中压电耦合可以使用应变-电 荷或应力-电荷形式袁本文选用的是应力-电荷形式遥
1 新型压电驱动器工作原理
新型位移放大压电驱动器主要包括压电陶瓷叠 堆和弹性外框袁 其中弹性外框的弹簧钢由 60Si2Mn 材料制作袁大大增加了其刚度遥 压电陶瓷叠堆驱动器 受到预紧力作用固定在弹性外框内[4]袁如图 1 所示遥
-10
-5
0
5
10
5
0
-5
图 1 新型压电驱动器工作结构图
收稿日期：2019-01-03 作者简介：李 旭渊 1983-冤 袁男袁辽宁本溪人袁讲师袁本科袁主要从事机电控制技术研究遥
晌上 上
13.5
6.8
6.8
0
0
上
上 上 上
6.8
13.5
6.8
0
0
上
CE =
上 上 上
6.8
上
0 上
上 上
6.8 11.3 0 0 0 0 2.2 0
上
0 上
上 上
0
0 0 2.2
上
0 0 上
上 尚
000
0 裳梢 梢
梢
0梢 梢 梢
梢
0梢 梢 梢
梢
0梢 梢 梢
梢
0梢 梢 梢
梢
3.3
梢 梢 捎
伊 1010
中图分类号：TM35
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2019）04-0124-04
0 引言
随着材料科学技术的进步袁压电材料应用越来越 广泛袁尤其在半导体工艺尧激光雷达等领域中袁以压电 材料为核心材料的激光扫描器应用广泛遥 压电光学扫 描器一般使用压电陶瓷驱动器进行直接驱动袁在自适 应光学补偿中被广泛使用遥 压电陶瓷由于驱动位移量 小袁 在扫描器频率较高情况下会造成扫描角度小袁限 制了压电陶瓷的应用遥 为改善传统压电陶瓷驱动位移 量小的缺点袁国内外相关研究机构设计了多种具有位 移放大功能的压电驱动器袁 其主要使用杠杆放大原 理袁 应用在多种微位移驱动机构领域遥 虽然具有位 移放大功能的压电驱动器的杠杆式位移放大机构能 够提升位移检测精度袁但是它的谐振频率较低袁不适 用于压电驱动器高频动态应用环境遥
激光雷达应用领域需要激光光束产生低转动惯 量高频率进行匀速扫描袁但是目前光束扫描器渊 如检 流计式振镜尧多面转镜等冤 很难满足该需求遥 因此很 多学者研究了一种弹性外壳式位移放大压电驱动结 构袁这种结构具有更好的高频动态特性袁且较传统压 电扫描器具有更高的扫描频率与更大的扫描角度遥 结合软件补偿与串联硬件陷波器的开环控制方法袁 能够有效补偿压电陶瓷迟滞效应以及对机械谐振具 有很好的抑制作用袁最终实现了高频匀速扫描[1-3]遥
Equipment Manufacturing Technology No.04袁2019
源自文库
基于 COMSOL Multiphysics 的新型 压电驱动器仿真分析
李旭
渊 海沧区职业中专学校袁福建 厦门 361021冤
摘 要：激光扫描器是一种光学距离传感器袁通常需要很好的高频特性袁而一般激光扫描器很难达到这种要求袁针对此问 题袁设计一种基于 C O M SO L M u ltip h y sics 的新型压电驱动器遥 压电驱动器作为激光扫描器的核心部件袁它的性能很大程 度上影响了激光扫描器的性能遥 选用 C O M SO L M u ltip h y sics 多物理场耦合软件袁并采用有限元方法对新型压电驱动器进 行仿真袁分析了其特征频率尧频域尧瞬态特性遥特征频率尧频域特性分析得到了新型压电驱动器的固有频率袁瞬态分析得到 了其随时间变化的位移图袁并通过与传统压电驱动器的仿真比较袁得出了其具有更好的高频动态特性尧 更大的位移放大 率的优点遥 关键词：压电驱动器曰C O M SO L M u ltip h y sics曰有限元仿真分析曰瞬态分析曰机 - 电耦合
压电驱动器是激光扫描器的核心部件袁 所以激
光扫描器的使用性能主要受其影响遥 由于采用一般 解析的方法计算压电驱动器的显性解较为困难袁故 首先利用有限元方法进行仿真分析遥 考虑到压电材 料的参数定义比较复杂等分析因素袁 本文利用 COMSOL Multiphysics 多物理场耦合软件的压电模块 对新型压电驱动器进行有限元仿真分析遥 分析得出 了该压电驱动器性能的显性解袁 获得了相关工作性 能参数袁 为该压电驱动器的研究和广泛利用提供了 一定的参考价值遥
渊 1冤
0 0 晌上
上
上
C = 0 上
上
B
上 上
0
上
上 尚上
9.8
0
-1.8
0
0
-1.8
裳梢 梢
124
叶 装备制造技术曳 2019 年第 04 期
当给压电陶瓷施加电压时袁 即压电陶瓷的左右 两端面分别施加一定电压与接地袁 基于压电材料的 逆压电效应袁 压电陶瓷由于压电效应会沿电压方向 伸缩变化袁使得弹性外框产生变形袁在与压电陶瓷横 向方向也会产生相应的伸缩变化遥 因此袁新型压电驱 动器实际上将其横向运动转化为弹性外框的纵向运 动袁且具有一定的位移放大的功能遥
本文综合考虑了压电陶瓷叠堆和弹性外框的材 料遥 压电陶瓷叠堆渊 图 2冤 选用了 COMSOL Multiphysics 里面自带的压电材料 PZT-2袁其密度为 7 600 kg/m3遥
y zx
图 2 压电陶瓷叠堆
其它主要参数包括弹性矩阵 CE渊 Pa冤 尧耦合矩阵 C渊B C/m2冤 以及相对介电常数值如下院
首先袁 利用三维建模软件 SolidWorks 对新型压 电驱动器进行三维建模袁 其中压电陶瓷叠堆的参数 为 5 mm 伊 5 mm 伊 18 mm袁其整体模型如图 1 所示遥 建模完毕后袁 利用 COMSOL Multiphysics 的 CAD 导 入模块将模型导入压电设备模块遥 COMSOL Multi原 physics 的 CAD 导入模块支持多种 CAD 文件格式袁 可 与 SolidWorks袁Pro/ENGINEER袁Autodesk Inventor 双向连接袁便于进行结构参数化设计袁且可自定义导 入误差尧修复缺陷遥 2.2 新型压电驱动器的材料参数设定