152. Карлаш Валерій Леонідович. Експериментально-теоретичний аналіз електромеханічних резонансних коливань і ефективності перетворення енергії в п'єзокерамічних тонкостінних елементах конструкцій: дис... д-ра техн. наук: 01.02.04 / НАН України; Інститут механіки ім. С.П.Тимошенка. - К., 2004.
Анотація до роботи:
Карлаш В.Л. Експериментально-теоретичний аналіз електромеханічних резонансних коливань і ефективності перетворення енергії в п’єзокерамічних тонкостінних елементах конструкцій. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла. – Інститут механіки ім. С.П.Тимошенка НАН України, Київ, 2004.
Дисертацію присвячено комплексному експериментально-теоретичному дослідженню електромеханічних резонансних коливань і ефективності перетворення енергії в п’єзокерамічних тонкостінних типових елементах конструкцій у кілогерцовому і мегагерцовому діапазонах частот електричного навантаження. З цією метою побудовані узагальнені аналітичні розв’язки задач про радіальні коливання тонкої круглої пластини з концентричним електродним покриттям, про несиметричні радіально-зсувні коливання кругових кілець із товщинною поляризацією, про поздовжні коливання двосекційних прямокутних пластин, що різняться пружними податливостями в секціях. Проведені експериментальні дослідження широкого класу важливих для інженерної практики нових задач по визначенню особливостей деформування типових елементів конструкцій із п’єзокераміки в діапазоні від найнижчих планарних і згинових мод до обертонів товщинних резонансів. Опрацьовані нові методики визначення комплексних параметрів п’єзокераміки на основі вимірювань резонансних частот і провідностей при радіальних коливаннях круглих пластин і кілець. Вивчена поведінка п’єзокерамічних зразків під впливом інтенсивних механічних, теплових та електричних полів.
В дисертації розглянута важлива для інженерної практики нова науково-технічна проблема в галузі механіки зв’язаних полів у матеріалах і елементах конструкцій, яка полягає в розвитку і реалізації комплексної методики експериментального та експериментально-теоретичного дослідження електромеханічних резонансних коливань і ефективності перетворення енергії в типових тонкостінних п’єзокерамічних елементах конструкцій у кілогерцовому та мегагерцовому діапазонах частот.
На основі розвитку і реалізації комплексної експериментальної і експериментально-теоретичної методики, котра містить у собі удосконалений метод п’єзотрансформаторного датчика, метод резисторного чотириполюсника, метод характериографа і кругових діаграм, проведені експериментально-теоретичні дослідження резонансних електромеханічних коливань і ефективності перетворення енергії в тонкостінних п’єзокерамічних типових елементах конструкцій, таких як тонкі пластини з круговим, полігональним і криволінійним контуром; оболонки обертання, оболонкові сегменти та панелі; складені та секціоновані тіла, а також конструкції з п’єзокерамічними шарами, при гармонічному електричному навантаженні в діапазоні звукових і ультразвукових частот (від десятків кілогерців до одиниць мегагерців).
В результаті проведених досліджень зроблені такі основні висновки.
Побудована двомірна прикладна теорія несиметричних коливань тонкого п’єзокерамічного кільця з товщинною поляризацією, на основі якої виведені рівняння резонансних частот несиметричних коливань з будь-яким кутовим індексом. Як частинні випадки із цього рівняння випливають відомі співвідношення для радіальних і зсувних коливань кільця та несиметричних, радіальних і зсувних коливань кругового диска. Встановлено, зокрема, що несиметричні коливання кругових кілець із п’єзокераміки відрізняються від радіальних тим, що їхні резонансні частоти меншою мірою залежать від відношення внутрішнього та зовнішнього радіусів. При зміні цього відношення на спектрах усіх несиметричних коливань п’єзокерамічних кілець з’являються ділянки, на яких дві сусідні моди мають близькі частоти й відбувається зміна ефективності перетворення енергії.
Розроблена і випробувана нова методика визначення параметрів дисипації енергії по вимірюванню повної провідності тонких круглих пластин із суцільними і розділеними електродами. Продемонстрована реальна можливість дослідження фазових зсувів при коливаннях п’єзокерамічних тіл на прикладах тонкого диска і циліндричної оболонки. На прикладі радіальних коливань тонкого п’єзокерамічного диска опрацьована ефективна методика визначення комплексних електропружних параметрів п’єзокераміки. Встановлено, що тангенси механічних, діелектричних і п’єзоелектричних втрат сумірні між собою і лежать у межах 0,005 – 0,012. Опрацьована методика використана при дослідженні температурних залежностей, а виміряні параметри - при розрахунках амплітудно-частотних характеристик повної провідності чотириелектродних дисків із п’єзокераміки та п’єзокерамічних кілець із товщинною поляризацією. Доведено, що обертони радіальних коливань кільця з ростом діаметра отвору перетворюються в коливання стержневого типу по різницевому радіусу.
Вивчені характеристики напруженого стану і ефективності резонансних коливань тонкої прямокутної пластинки із п’єзокераміки. На основі виявлених закономірностей проаналізовані поздовжні і поперечні коливання плоского пластинкового п’єзотрансформатора. Виведена уточнена формула для коефіцієнта передачі п’єзотрансформатора, котра добре узгоджується з експериментальними результатами і в частинному випадку зводиться до відомої в літературі. Показано аналітично і експериментально, що в поперечно-поздовжньому пластинковому п’єзотрансформаторі однаково ефективно збуджуються електромеханічні коливання на двох перших поздовжніх резонансах, чого не буває в однорідній пластинці. Досліджені особливості деформування чотирикутників із криволінійними границями, а також квадратних, шестикутних, трикутних і ромбічних п’єзокерамічних пластин. Експериментально встановлено, що із усіх пластин тільки рівносторонній шестикутник має на двох найнижчих по частоті сусідніх модах коливань однаково високі коефіцієнти електромеханічного зв’язку. Цей результат можна використати у п’єзокерамічних фільтрах частот.
Досліджені особливості деформування циліндричних, конічних і сферичних оболонок обертання із п’єзокераміки. На прикладі зрізаної конічної оболонки зіставлені результати аналітичних досліджень на основі уточненої теорії оболонок з експериментальними даними по резонансних частотах і динамічних напруженнях, які підтвердили достовірність теорії. Криві розподілу динамічних напружень по твірній показали. що зрізаний конус займає проміжне становище між циліндром і круговим кільцем і наближається до того або іншого залежно від кута конусності. Найвищу ефективність електромеханічного перетворення енергії в замкнутих сфероїдах мають симетричні радіальні коливання, а наявність у них навіть незначної геометричної або фізичної асиметрії проявляється в характеристиках розподілу внутрішніх динамічних напружень по меридіану та паралелі. Протифазне живлення електродів сферичного сегмента підсилює тенденції до проявів асиметрії.
З’ясована поведінка тонких п’єзокерамічних пластин і кілець на високих частотах поблизу від їхніх товщинних резонансів, де має місце суперпозиція різних форм коливань. Встановлено, зокрема, що характер суперпозиції залежить від складу п’єзокераміки і проявляється у взаємному підсиленні або ослабленні сусідніх мод.
Вивчений вплив інтенсивних механічних, електричних і теплових полів на електрофізичні параметри п’єзокерамічних зразків. Побудовані графіки залежності основних параметрів п’єзокераміки від температури. Показано, що для кожного складу п’єзокераміки існують обмеження по температурі згори, навіть короткочасне досягнення яких супроводиться частковою або повною деполяризацією і втратою зразком своїх п’єзоелектричних властивостей. Для поліпшення електромеханічних характеристик перетворювачів техно-логічного призначення доцільно вибирати кількість п’єзокерамічних кілець 3-5.
В умовах, коли механічне навантаження не супроводиться тепловим, як у випадку застосування п’єзокерамічних елементів для контролю рівня механічного навантаження при випробуваннях на втомлюваність, зберігається лінійність між наведеним п’єзоелектричним зарядом та амплітудою механічних коливань аж до початку руйнування кераміки.
Окремі результати дисертації впроваджені в Київському Державному науково-дослідному інституті гідроприладів, ОКБ “П’єзоприлад” Ростовського університету (Російська Федерація), Інституті механіки ім. С.П.Тимошенка НАН України, а також увійшли до кількох тем впровадження відділу електропружності, в котрих автор був співвиконавцем.
Публікації автора:
Карлаш В.Л., Улитко А.Ф. Исследование колебаний пьезокерамических элементов методом пьезотрансформаторного датчика / Экспериментальные исследования тонкостенных конструкций / Под ред. А.Н.Гузя, В.А.Заруцкого. – К.: Наук. думка. - 1984. - С. 178-196.
Карлаш В.Л. Амплитудно-фазовые соотношения в методе пьезотрансформаторного датчика // Прикл. механика. - 1983. – 19, № 10. - С. 95-І01.
Карлаш В.Л. Влияние диссипации энергии на амплитудно-частотную характеристику полной проводимости тонкого пьезокерамического диска // Электричество. - 1984. № 4. – С. 59-61.
Карлаш В.Л. Диссипация энергии при колебаниях тонких пьезокерамических круглых
Карлаш В.Л. Планарно-толщинные колебания пьезокерамических колец и дисков // Прикл. механика. - 1997.- 33, № 7.- С .72-78.
Карлаш В.Л. Формы колебаний и механические потери энергии в полом усеченном пьезокерамическом конусе // Прикл. механика. – 1998. – 34, № 11. – С. 32-37.
Карлаш В.Л. Коэффициент передачи и моды колебаний плоского поперечно-продольного пьезотрансформатора // Электричество.–2002, №1.–С. 51 –55.
Карлаш В.Л. Продольные колебания и входная проводимость составной пьезокерамической прямоугольной пластины с поперечно-продольной поляризацией // Прикл. механика. – 2002. – 38, № 5. – С. 117-123.
Карлаш В.Л. Електропружні коливання й уточнена формула коефіцієнта передачі плоского пластинкового п’єзотрансформатора // Вісник Донецького університету, Сер.А.: Природ. науки. – 2003. – вип.1 С. 98-102.
Карлаш В.Л. Электроупругие характеристики плоского пластинчатого пьезотрансформатора // Прикл. механика. – 2003. – 39, № 7. – С. 139-143.
Карлаш В.Л. Влияние потерь энергии на характеристики плоского пластинчатого пьезотрансформатора // Прикл. механика. – 2003. – 39, № 8. – С. 134-139.
Карлаш В.Л. Анализ форм колебаний пьезокерамической прямоугольной пластины с поперечно-продольной поляризацией// Прикл. механика. – 2003. – 39, № 10. – С. .
Болкисев A.M., Карлаш В.Л., Шульга Н.А. О зависимости свойств пьезокерамических материалов от температуры // Прикл. механика. - 1984. - 20, № 7. - С. 70-74.
Карлаш В.Л., Кубяк Р.Ф., Филатов Э.Я., Шульга Н.А. О возможности применения пьезокерамических датчиков для контроля уровня нагружения при усталостных испытаниях // Заводская лаборатория. - І987. – 53, №.12. – С. 64-65.
Карлаш В.Л. Несимметричные колебания тонких пьезокерамических круглых преобразователей с разделенными электродами // Применение ультразвука в промышленности и медицине. - Каунас:КПИ. – 1987. - Доп. вып. С. 30.
Карлаш В.Л. Механические потери энергии при колебаниях полого пьезокерамического цилиндра с радиальной поляризацией // Тезисы докладов ХІУ конференции по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем. - К. :Наук. думка. - 1989.С. 54-55.
Карлаш В.Л. К теории планарных колебаний тонких пьезокерамических пластин // ІУ Симпозиум: Теоретические основы магнитоупругости. Материалы докладов. – Ереван: ЕрГУ. - 1989. – С. 106-112.
Карлаш В.Л. Несимметричные резонансные колебания пьезокерамических колец и дисков с диаметральными разрезами электродного покрытия // Тезисы докладов Совещания-семинара: Инженерно-физические проблемы новой техники. М.: МГТУ, 1990. – С. 130.
Карлаш В.Л. Резонансные колебания пьезокерамического сферического сегмента с радиальной поляризацией // Тезисы докладов Ш Международного совещания-семинара: Инженерно-физические проблемы новой техники. - М.:МГТУ. – 1994. - С. 106.
Карлаш В.Л. Поведение пьезокерамических колец в стержневых электромеханических преобразователях технологического назначения // Материалы ІУ Международного совещания-семинара: Инженерно-физические проблемы новой техники. - М: МГТУ. - 1996. - С. 86-87.
Карлаш В.Л. Реакция цилиндрической пьезокерамической оболочки на ударное воздействие // Тезиси докладов Всероссийской конференции: Необратимые процессы в природе и технике. М.:МГТУ. – 2001. - С. 116.
Карлаш В.Л. The dynamic stresses in an input section of piezotransformer of transverse-longitudinal type // Вторая Всероссийская конференция: Необратимые процессы в природе и технике. – М.: МГТУ. – 2003. – С. 51-53.
Карлаш В.Л., Мотовиловец А. И. Исследование физико-механических полей в вязкоупругих диэлектриках на пьезокерамических моделях // Диэлектрики в экстремальных условиях. – Томск. -І988. - С. 58.
Болкисев A.M., Карлаш В.Л., Шульга Н.А. Влияние теплового режима на вязкоупругие свойства элементов конструкций из пьезокерамики // Тезисы докладов У Всесоюзной конференции: Методика и техника ультразвуковой спектроскопии.- Вильнюс. – 1984. – С. 13.
