ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ БИМОРФНОЙ ПЛАСТИНЫ ИЗ ПЬЕЗОЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА В ПЕРЕМЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена исследованию поперечных колебаний биморфа, состоящего из двух пьезомагнитоэлектрических слоев, находящегося в переменном магнитном поле. Пьезомагнитоэлектрические слои представляют собой многослойный композит с чередующимися пьезоэлектрическими и пьезомагнитными слоями. Механические и физические свойства такого композита задаются эффективными константами, известными из литературы. На основе прикладной теории колебаний многослойной пластины, учитывающей нелинейное распределение электрического и магнитного потенциала в пьезоактивных слоях как в продольном, так и поперечном направлении, проведено исследование напряженно деформированного состояния, электрического и магнитного поля шарнирно опертого биморфа. Электрический потенциал принят равным нулю на всех электродах, в то время как магнитный равен нулю на внутренней границе и неизвестен на внешних. Поэтому распределение электрического и магнитного потенциалов в середине слоя принимается неизвестными функциями, а в случае магнитного потенциала распределение на внешней границе также является функцией, которую следует найти. В задаче были приняты гипотезы Кирхгофа для механических характеристик. С использованием вариационного принципа и принятой в работе квадратичной зависимости электрического и магнитного потенциалов по толщине пьезоактивных слоев была получена система дифференциальных уравнений и граничных условий. Полученная краевая задача решалась численными методами. Сравнение результатов расчета по предложенной теории с плоской задачей, решенной в конечно-элементном пакете FlexPDE, в низкочастотной области показало, что погрешность в нахождении характеристик механического и магнитного полей составляет менее 1 %. В свою очередь при определении электрического поля разница составила порядка 5 % в средней части пластины и 27 % в окрестности точек опоры. Такая погрешность связана с тем, что конечно-элементный анализ демонстрирует явный нелинейный характер распределения электрического поля, в то время как прикладная теория – линейный.

Об авторах

А. Н Соловьёв

Донской государственный технический университет; Южный федеральный университет

Российская Федерация, 344000, Ростов-на-Дону; Российская Федерация, 344006, Ростов-на-Дону

Б. Т До

Донской государственный технический университет; Технический университет им. Ле Куй Дона

Российская Федерация, 344000, Ростов-на-Дону; Вьетнам, 100000, Ханой

В. А Чебаненко

Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук

Email: valera.chebanenko@yandex.ru
Российская Федерация, 344006, Ростов-на-Дону

В. Б Васильев

Донской государственный технический университет

Российская Федерация, 344000, Ростов-на-Дону

Список литературы

  1. Gaudenzi P. 2009. Smart structures: physical behavior, mathematical modeling and applications. New York, Wiley: 194 p.
  2. Qader İ.N., Kök M., Dagdelen F., Aydoğdu Y. 2019. A review of smart materials: researches and applications. El-Cezeri Journal of Science and Engineering. 6(3): 755–788. doi: 10.31202/ecjse.562177
  3. Chebanenko V.A., Akopyan V.A., Parinov I.A. 2015. Piezoelectric Generators and Energy Harvesters: Modern State of the Art. In: Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications. New York, Nova Science Publishers: 243–277.
  4. Amrillah T., Hermawan A., Wulandari C.P., Muthi’Ah A.D., Simanjuntak F.M. 2021. Crafting the multiferroic BiFeO3-CoFe2O4 nanocomposite for next-generation devices: A review. Materials and Manufacturing Processes. 36(14): 1579–1596. doi: 10.1080/10426914.2021.1945096
  5. Abraime B., Mahmoud A., Boschini F., Ait Tamerd M., Benyoussef A., Hamedoun M., Xiao Y., El Kenz A., Mounkachi O. 2018. Tunable maximum energy product in CoFe2O4 nanopowder for permanent magnet application. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 467: 129–134. doi: 10.1016/j.jmmm.2018.07.063
  6. Lamouri R., Mounkachi O., Salmani E., Hamedoun M., Benyoussef A., Ez-Zahraouy H. 2020. Size effect on the magnetic properties of CoFe2O4 nanoparticles: a Monte Carlo study. Ceramics International. 46(6): 8092–8096. doi: 10.1016/j.ceramint.2019.12.035
  7. Kim J.-Y. 2011. Micromechanical analysis of effective properties of magneto-electro-thermo-elastic multilayer composites. International Journal of Engineering Science. 49(9): 1001–1018. doi: 10.1016/j.ijengsci.2011.05.012
  8. Venkata Siva K., Kaviraj P., Arockiarajan A. 2020. Improved room temperature magnetoelectric response in CoFe2O4-BaTiO3 core shell and bipolar magnetostrictive properties in CoFe2O4. Materials Letters. 268: 127623. doi: 10.1016/j.matlet.2020.127623
  9. Challagulla K.S., Georgiades A.V. 2011. Micromechanical analysis of magneto-electro-thermo-elastic composite materials with applications to multilayered structures. International Journal of Engineering Science. 49(1): 85–104. doi: 10.1016/j.ijengsci.2010.06.025
  10. Новацкий В., Шачнев В.А. 1986. Электромагнитные эффекты в твердых телах. М., Мир: 160 с.
  11. Партон В.З., Кудрявцев Б.А. 1988. Электромагнитоупругость пьезоэлектрических и электропроводных тел. М., Наука: 472 с.
  12. Багдасарян Г.Е., Даноян З.Н. 2006. Электромагнитоупругие волны. Ереван, изд-во Ереванского государственного университета: 492 с.
  13. Vatul’yan A.O., Rynkova A.A. 2001. Flexural vibrations of a piezoelectric bimorph with a cut internal electrode. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 42(1): 164–168. doi: 10.1023/A:1018837401827
  14. Soloviev A.N., Oganesyan P.A., Lupeiko T.G., Kirillova E.V., Chang S.H., Yang C.D. 2016. Modeling of non-uniform polarization for multi-layered piezoelectric transducer for energy harvesting devices. In: Advanced Materials. Heidelberg, Springer: 651–658. doi: 10.1007/978-3-319-26324-3_46
  15. Levi M.O., Kalinchuk V.V. 2017. Some features of the dynamics of electro-magneto-elastic half-space with initial deformations. In: Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics) (Omsk, Russia, 14–16 November 2017). Omsk, IEEE: 1–5. doi: 10.1109/Dynamics.2017.8239478
  16. Леви М.О., Анджикович И.Е., Ворович Е.И., Агаян К.Л. 2012. Влияние граничных условий на динамику электромагнитоупругой полуограниченной среды. Вестник Южного научного центра. 8(4): 14–19.
  17. Soloviev A.N., Chebanenko V.A., Parinov I.A., Oganesyan P.A. 2019. Applied theory of bending vibrations of a piezoelectric bimorph with a quadratic electric potential distribution. Materials Physics and Mechanics. 42(1): 65–73. doi: 10.18720/MPM.4212019_7
  18. Соловьёв А.Н., Чебаненко В.А., Паринов И.А., Оганесян П.А. 2019. Исследование колебаний биморфной пластины с учетом нелинейности электрического потенциала. Наука Юга России. 15(3): 3–11. doi: 10.7868/S25000640190301
  19. Binh D.T., Chebanenko V.A., Duong L.V., Kirillova E., Thang P.M., Soloviev A.N. 2020. Applied theory of bending vibration of the piezoelectric and piezomagnetic bimorph. Journal of Advanced Dielectrics. 10(3): 2050007. doi: 10.1142/S2010135X20500071
  20. Kurbatova N.V., Nadolin D.K., Nasedkin A.V., Oganesyan P.A., Soloviev A.N. 2018. Finite element approach for composite magneto-piezoelectric materials modeling in ACELANCOMPOS package. In: Analysis and Modelling of Advanced Structures and Smart Systems. Advanced Structured Materials, vol. 81. Singapore, Springer: 69–88. doi: 10.1007/978-981-10-6895-9_5

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Издательство «Наука», 2021