圓環(huán)形壓電振子疲勞仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究

田曉超，王海剛，王 虎,吳 越，張思達(dá),楊志剛

(1.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022;2. 吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130025)

0 引言

由壓電材料構(gòu)成的壓電振子具有變形精度高,速度快,體積小,無磁干擾等特點(diǎn)，常被作為高速、高精度的驅(qū)動(dòng)源使用[1]。壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的疲勞損壞或失效主要表現(xiàn)為壓電振子的疲勞破壞。針對(duì)構(gòu)成不同驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及工作狀態(tài)的壓電振子，其失效形式也不同。因此，有必要對(duì)壓電振子的疲勞破壞及工作壽命進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)壓電振子疲勞破壞已進(jìn)行了相關(guān)研究。Mizuno M 等[2]建立了疲勞壽命公式和損傷變量方程表示為靜態(tài)斷裂強(qiáng)度、疲勞極限和平均值的函數(shù)，損傷理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證了方法的有效性。M. Okayasu等[3]在5 kHz高頻率下對(duì)壓電陶瓷位移和裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了測(cè)試，表明位移強(qiáng)度與擴(kuò)展速率與聲吶強(qiáng)度間存在線性關(guān)系。Mamoru Mizuno等[4]通過在各種載荷頻率下對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行壓縮-疲勞試驗(yàn)，闡明了陶瓷表面的損傷機(jī)理。Mitsuhiro Okayasu等[5]研究了鋯鈦酸鉛(PZT)的力學(xué)性能和疲勞破壞特性。Weon-Pil Tai等[6]研究了PZT極化處理和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌性和抗疲勞性的影響。而國(guó)內(nèi)學(xué)者主要針對(duì)膜片式壓電振子進(jìn)行疲勞仿真、建立模型及實(shí)驗(yàn)方法的研究[7-13]。

針對(duì)圓環(huán)形壓電振子疲勞破壞問題，本文主要對(duì)其疲勞特性進(jìn)行了研究，通過仿真分析和疲勞試驗(yàn)對(duì)用其構(gòu)造的壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)疲勞使用壽命預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 結(jié)構(gòu)組成與振動(dòng)方式

圖1、2分別為圓環(huán)形壓電振子結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖。環(huán)形壓電陶瓷貼置在金屬基板上，中間圓孔部位用于連接傳振機(jī)構(gòu)，通?？煞譃閱尉碗p晶片振子。

圖1 壓電振子結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 壓電振子實(shí)物圖

圓環(huán)形壓電振子一般為陶瓷片直徑小于金屬基板直徑，采用周邊固定支撐方式。將壓電振子施加交變驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，壓電陶瓷會(huì)發(fā)生收縮與膨脹，進(jìn)而促使振子上、下振動(dòng)，形成周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作，其變形示意圖如圖3所示。

圖3 壓電振子變形示意圖

2 壓電振子疲勞仿真分析

2.1 靜力學(xué)分析

表1為選用的壓電陶瓷材料。

表1 壓電陶瓷材料參數(shù)

壓電材料的壓電矩陣和剛度矩陣為

(1)

109(N/m2)

(2)

圖4為壓電振子的尺寸結(jié)構(gòu)。圖中，b1為壓電陶瓷內(nèi)徑，b2為基板內(nèi)徑，壓電陶瓷直徑a1=48 mm，金屬基板直徑a2=66 mm，陶瓷厚h1=2.1 mm和基板厚h2=1.5 mm。

圖4 壓電振子尺寸結(jié)構(gòu)示意圖

利用ANSYS/Multiphysies模塊建立模型。金屬基板材料選用65Mn，陶瓷材料選用SOLID5單元類型，金屬基板材料采用SOLID45單元類型。邊界條件限定壓電振子環(huán)形基板邊緣9 mm固支。得到前四階振動(dòng)模態(tài)如圖5所示。

圖5 壓電振子前四階模態(tài)云圖

由圖5可知，一階模態(tài)符合壓電振子工作模式。設(shè)定金屬基板上電壓為0，壓電陶瓷表面電壓為180 V。將所有應(yīng)力集中一個(gè)方向上，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 壓電振子等效應(yīng)力云圖

由圖6可以看出, 壓電振子最大受力為86.479 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限(108 MPa)，可認(rèn)為壓電振子在靜力狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

2.2 壓電振子疲勞分析

將仿真疲勞計(jì)算數(shù)值進(jìn)行激活，預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)Np=4.67×109時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。最大受力點(diǎn)結(jié)果如圖7所示。

表2 不同節(jié)點(diǎn)處計(jì)算結(jié)果

圖7 最大受力點(diǎn)獲取示意圖

在節(jié)點(diǎn)編號(hào)為10 023處的最大應(yīng)力為86.47 MPa，循環(huán)次數(shù)為5.001×109。從壓電振子實(shí)用性考慮，預(yù)設(shè)6個(gè)月循環(huán)次數(shù)Np=4.67×109(180×24×3 600×300=4.67×109)。最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)疲勞耗用系數(shù)小于1，可認(rèn)為壓電振子不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

由表2可看出，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的疲勞耗用系數(shù)均小于1，如果壓電振子最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)處不發(fā)生疲勞破壞，則認(rèn)為整個(gè)壓電振子不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。此次預(yù)設(shè)壓電振子6個(gè)月循環(huán)次數(shù)，認(rèn)為在這種情況下壓電振子有很好的疲勞強(qiáng)度。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)疲勞特性影響

3.1 金屬基板材料影響

選取金屬基板材料為65Mn、不銹鋼、鋁合金3種材料，令電壓U=160 V，a1=48 mm，a2=66 mm，h2=1.5 mm，h1=2.1 mm，得到單、雙晶片振子的疲勞相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同金屬基板材料單雙振子疲勞參數(shù)

由表3可看出，基板材料為65Mn的抗疲勞性能最好，且雙晶片振子要比單晶片振子疲勞壽命長(zhǎng)。

3.2 陶瓷與基板直徑影響

保持壓電陶瓷與基板直徑比不變，分析壓電振子疲勞性能隨不同壓電陶瓷的直徑變化情況，結(jié)果如圖8所示。由圖可看出，隨著直徑的增大，循環(huán)次數(shù)呈下降趨勢(shì)，表明壓電陶瓷的直徑越大，整個(gè)振子的疲勞壽命越短。但直徑不能太小，否則振子的性能會(huì)受影響，因此，需要綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)來選擇振子的直徑尺寸。

圖8 疲勞壽命受壓電陶瓷直徑變化曲線圖

3.3 驅(qū)動(dòng)電壓影響

保持其他參數(shù)不變，改變驅(qū)動(dòng)電壓幅值，疲勞性能曲線如圖9所示。由圖可看出，壓電振子循環(huán)次數(shù)隨電壓幅值的增加而下降，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓超過190 V時(shí)，壓電振子未達(dá)到預(yù)定的循環(huán)次數(shù)，認(rèn)為疲勞強(qiáng)度不能滿足要求。因此，需合理選擇驅(qū)動(dòng)電壓。

圖9 不同電壓下振子疲勞壽命曲線圖

3.4 陶瓷與基板厚度影響

保持h1/h2=1，其他參數(shù)不變，壓電陶瓷與基板厚度對(duì)疲勞性能的影響，如圖10所示。由圖可知，疲勞壽命隨著陶瓷和基板厚度增大而不斷加強(qiáng)。雙晶片壓電振子陶瓷與基板厚度均小于0.18 mm，單晶片壓電振子陶瓷與基板厚度均小于0.23 mm時(shí)，壓電振子未達(dá)到預(yù)定的循環(huán)次數(shù)，強(qiáng)度不能滿足要求。

圖10 陶瓷片厚度對(duì)振子疲勞壽命曲線圖

綜上分析可知，金屬材料65Mn的抗疲勞性能最好；壓電振子雙晶片型比單晶片型抗疲勞性強(qiáng)；驅(qū)動(dòng)電壓的幅值影響較大；陶瓷及基板直徑和厚度對(duì)振子的疲勞壽命有一定影響。因此，選用強(qiáng)度較高的基板材料，合理增加振子厚度，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電壓幅值，無特殊情況下選用雙晶片型振子，對(duì)提高壓電振子的使用壽命具有重要意義。

4 壓電振子疲勞實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

表4為本文選用的壓電振子參數(shù)。通過對(duì)一批相同結(jié)構(gòu)參數(shù)壓電振子施加相同的驅(qū)動(dòng)頻率，對(duì)比壓電振子的抗疲勞性能，并從實(shí)用性的角度對(duì)其作出可靠性分析。

表4 振子參數(shù)列表

實(shí)驗(yàn)步驟:

1) 取20個(gè)尺寸參數(shù)一致的壓電振子樣品，分別編號(hào)，測(cè)定每個(gè)振子的輸出力和輸出位移，每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量3次取平均值。

2) 將20個(gè)壓電振子分為4組，每組5個(gè)，按每組壓電振子施加電壓為160 V、170 V、180 V、190 V、200 V進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)間為3個(gè)月，記錄每天振子輸出力和位移。

3) 計(jì)算各壓電振子試件試驗(yàn)前后輸出力和輸出位移的差值，統(tǒng)計(jì)相關(guān)壓電振子的失效個(gè)數(shù)，算出其下降比。根據(jù)GB1772-79《電子元器件失效率試驗(yàn)方法》，評(píng)判此次疲勞試驗(yàn)的失效率、置信度及可靠性。

圖11為輸出力測(cè)試圖。圖12為輸出位移測(cè)試圖。

圖11 輸出力測(cè)試圖

圖12 輸出位移測(cè)試圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表5為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果。由圖可看出，有3個(gè)振子在實(shí)驗(yàn)前后振子的性能均相差20%以上，破壞的振子都是施加了190 V、200 V高電壓，而電壓低于190 V的振子暫時(shí)未達(dá)到疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)，可見承受高電壓的振子更易發(fā)生疲勞損壞。

表5 失效振子性能統(tǒng)計(jì)表(共20個(gè)振子)

將失效的壓電振子制作驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)，與未發(fā)生疲勞損壞壓電振子制作的樣機(jī)進(jìn)行比較，如圖13所示。由圖可看出，用損壞振子制作的樣機(jī)比正常振子制作的樣機(jī)輸出能力低，可見振子的性能優(yōu)劣直接影響驅(qū)動(dòng)器的輸出性能。壓電振子在高電壓狀態(tài)下工作易表現(xiàn)出疲勞特性，其性能也明顯下降，進(jìn)而影響驅(qū)動(dòng)器的輸出性能。

圖13 壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力對(duì)比圖

此次壓電振子振動(dòng)循環(huán)實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)為90天，除3個(gè)振子性能下降外，其他都未達(dá)失效標(biāo)準(zhǔn)。正常壓電振子工作時(shí)間為90×24=2 160 h，性能下降程度最大的振子工作時(shí)間為62×24=1 488 h，此時(shí)其驅(qū)動(dòng)電壓為190 V和200 V。可以預(yù)測(cè)，如果在低驅(qū)動(dòng)電壓下其使用壽命更長(zhǎng)。因此，從壓電振子實(shí)用性和可靠性的角度分析，此批壓電振子可達(dá)到使用要求。

5 結(jié)束語

利用ANSYS軟件對(duì)圓環(huán)形壓電振子進(jìn)行了靜力學(xué)和疲勞壽命研究，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)圓環(huán)形壓電振子疲勞壽命的影響。結(jié)果表明，金屬材料65Mn的抗疲勞性能最好；振子直徑和厚度變化對(duì)其疲勞壽命影響較大；壓電振子雙晶片型比單晶片型抗疲勞性強(qiáng)；高電壓、高應(yīng)力會(huì)降低振子的疲勞壽命。對(duì)壓電振子進(jìn)行了疲勞壽命實(shí)驗(yàn)，從振子可靠性和實(shí)用性角度分析，選取的此批振子完全能達(dá)到使用要求。