Piezoelektrik Tutucunun Dizayn Ve Analizi

Abstract

Sonlu eleman metodu mühendislik problemlerinin birçoğunun nümerik olarak çözümlerinde önemli yer almaktadır. Bilgisayar teknolojisindeki ve bilgisayarla dizayn sistemlerindeki gelişmeler, karmaşık problemlerin bile kolayca modellenip çözülebilmesini sağlamaktadır. Örnek model üretilmeden önce, bilgisayar üzerinde değişik konfıgürasyonların denenerek en uygun modelin dizaynı gerçekleştirilir. Model sonlu eleman kurallarına göre küçük parçalara ayrılarak değişik yükleme durumları uygulanır. Elde edilen denklemler çözülerek gerçek durumdakine yakın sonuçlara ulaşılabilmesi sağlanır.Birleşik alan analizi bir sonlu eleman analiz yöntemidir. Bu yöntemde iki değişik fiziksel niceliğin etkileşimi İncelenmektedir. Örnek olarak bizim de bu çalışmada ele aldığımız piezoelektrik analizde; elektrik alan ile yapısal değişikliğin arasındaki etkileşim ele alınmaktadır. Termal-gerilme analizi, termal-elektrik analizi ve basınç-yapısal analiz gibi birçok örnek de bu analizin içindedir.Piezoelektrik malzeme birim çift kutupların dizilmesiyle ortaya çıkan bir malzemedir. Bu malzemenin uçlarına bir voltaj uygulandığında uçlardaki yük yoğunluğu değişecektir. Yük yoğunluğundaki bu değişiklik uygulanan voltajın yönünde malzemenin boyutlarında bir değişikliğin ortaya çıkmasına sebep olur.Piezoelektrik malzemenin bu özelliğinden faydalanarak geliştirdiğimiz tutucuyu analiz etmek için ANSYS analiz programından faydalandık. ANSYS’de piezoelektrik analiz için gerekli bilgiler ayrıntılı olarak tezin bölümlerinde ele alınmıştır.Sonuç bölümünde ANSYS’de analiz ederek bulduğumuz sonuçlarla, benzer şekilde dizaynlar üzerinde yapılmış çalışmalardan elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır ve tutucunun kullanılabileceği sahalar belirtilmiştir.

The smart structures field has grown rapidly over the last few years. One factor enabling this growth has been the development of small actuators based on smart materials such as piezoelectrics and shape memory alloys. Piezoelectric actuators are currently more widely used for smart structure applications because they are small, have low-power requirements, and respond quickly. However, commonly used piezoelectric actuators produce either high force coupled with small deflections (stacks) or large deflections coupled with low force (bimorphs). For piezoelectric actuation, this leaves a gap in force-deflection capabilities in which many smart structures applications operate.There exists an ongoing need in the area of robotics and prosthetics for light fast compact actuators. A review of current actuation systems such as electrical, hydraulic, and pneumatic systems that are commonly used for robotic and effectors reveals that these systems are too bulky, too heavy, too slow or too complex for use in lightweight anthropomorphic end effectors and prosthetic devices. Trimmer, defines a device in the range of 2 cm or smaller to be a microactuator. Many microactuator designs exist based upon shape memory alloy materials, electromagnetic materials, magnetic materials, electrostatic materials and piezoelectric materials. These devices were not applicable to the artificial hand problem because either they could not be combined to form a macroactuator, they were too slow or the additional equipment required to power the microactuator was too bulky or heavy. It became clear that the final microactuator would need to have a geometry that allowed it to be combined and also be capable of a direct electrical to mechanical energy conversion. Barium titanate and many other ceramic materials exhibit what is called the piezoelectric effect, illustrated schmetically in Figure 1. Let us consider a sample of a ferroelectric ceramic material which has a resultant dipole moment due to alignment of many small unit dipoles as indicated in Figure 1-a. In this material there will be an excess of positive charge at one and negative charge at the other end in the direction of the polarization. Now let us consider the sample when compressive stresses are applied, as shown in Figure 1-b. the compressive stresses reduce the length of the sample between the applied stresses and thus reduce the distance between the unit dipoles, which in turn reduces the overall dipole moment per unit volume of the material. The change in dipole moment of the material changes the charge density at the ends of the sample and thus changes the voltage difference between the ends of the sample if they are insulated from each other.