Akadēmiskais centrshttps://doi.org/10.22364/mkm.58.4.02
А. Н. Соловьёв1, 2, До Тхань Бинь1, В. А. Чебаненко3, И. А. Паринов2
1 Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия
2 Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия
3 Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук, Ростов-на-Дону, Россия
Изгибные колебания композитного пьезоактивного биморфа в переменном магнитном поле: прикладная теория и конечно-элементное моделирование
Перевод с англ.
Полный текст: PDF (RUS)
Представлена прикладная теория, описывающая поперечные колебания кантилеверного биморфа в переменном магнитном поле. Биморф изготовлен из пьезоактивного материала, представляющего собой многослойный композит с чередующимися пьезоэлектрическими и пьезомагнитными слоями. Механические и физические свойства такого композита задаются эффективными константами. Подобная конструкция может служить моделью устройства накопления энергии, находящегося под действием внешнего переменного магнитного поля. В рамках теории приняты квадратичные распределения электрического и магнитного потенциалов по толщине, а также учтены неоднородности в продольном направлении. Проведены расчеты напряженнодеформированного состояния биморфа, распределения электрического и магнитного полей, а также собственных частот. Рассмотрен случай, когда потенциал на одном из электродов неизвестен. Проведено сравнение результатов расчетов в области низких частот с результатами конечноэлементной модели на основе системы уравнений в частных производных, решенной в пакете COMSOL Multiphysics. Сравнение показало хорошее совпадение результатов расчета характеристик поля с данными конечноэлементного моделирования во всей области биморфа, за исключением окрестности заделки и свободного конца.
Ключевые слова: материалы умные, электроупругость, задачи краевые, колебания вынужденные, закрепление
Поступила в редакцию 09.12.2021
Окончательный вариант поступил 30.04.2022
Перевод статьи на английском языке: Springer
A. N. Soloviev, B. T. Do, V. A. Chebanenko, I. A. Parinov
Flexural vibrations of a composite piezoactive bimorph in an alternating magnetic field: applied theory and finite-element simulation
An applied theory describing the transverse vibrations of a cantilever bimorph in an alternating magnetic field is presented. The bimorph is made of piezoactive materials, which is a multilayer composite with alternating piezoelectric and piezomagnetic layers. The mechanical and physical properties of such a composite are specified by their effective constants. This theory can serve as a model for energy harvesting devices under the action of an external alternating magnetic field. Within the framework of the theory, quadratic distributions of electric and magnetic potentials over the cantilever thickness are assumed inhomogeneous in its longitudinal direction. The stress strain state of the bimorph, the distribution of electric and magnetic fields, and its natural frequencies are calculated. In addition, the case where the potential at one of electrodes is unknown is examined. The results of calculations in the lowfrequency region are compared with those found by a finiteelement model based on a system of partial differential equations built in the COMSOL Multiphysics package. A comparison showed a good agreement between the calculated field characteristics and the data of finiteelement modeling in the entire area of the bimorph, except in the vicinity of the beam fixation and its free end.
Keywords: smart materials, electroelasticity, boundary-value problems, forced vibrations, fixation
Received Dec. 9, 2021 (Apr. 30, 2022)