X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Имитационное моделирование является мощным инструментом исследования поведения реальных систем. Методы имитационного моделирования позволяют собрать необходимую информацию о поведении системы путем имитационного эксперимента. Целью имитационного моделирования является определение влияния воздействия внешних факторов на работоспособность пьезоэлектрического датчика абсолютного давления, предназначенного для преобразования быстропеременных давлений в жидких и газообразных средах в электрический сигнал [1,2,3].

При помощи программного комплекса "Solid Works" были проведены исследования с применением имитационного моделирования девиации емкости от начального межэлектродного зазора датчика абсолютного давления [4,5].

При проведении имитационного моделирования решались следующие задачи:

1) Определить оптимальную толщину мембраны, обеспечивающую ее перемещение 9÷13 мкм при её внутреннем диаметре Ø9Н8.

2) Определить напряжения, возникающие в мембране при геометрических параметрах, определенных по п.1, под действием номинального давления.

3) Определить девиацию рабочих ёмкостей при зазорах между обкладками, равными 20÷25 мкм.

Схема граничных условий для определения перемещения мембраны и критических напряжений, возникающих в конструкции, изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема граничных условий

В результате имитационного моделирования была определена толщина мембраны h=0,78_-0,015 (рисунок 2), при заданном внутреннем диаметре – Ø9Н8. Оптимизация толщины производилась по среднему значению требуемого перемещения центра мембраны с учётом допуска на её внутренний диаметр.

Рисунок 2 – Эскиз чувствительного элемента с измененной конструкцией

Эпюры распределения напряжений и перемещения, под действием номинального давления 250 кгс, для толщины мембраны h=0,78 мм изображены на рисунке 3а и для толщины мембраны h=0,765 мм – на рисунке 3б.

а)

б)

Рисунок 3 – Эпюры распределения напряжений и эпюры перемещений

На рисунке 4 представлены графики зависимости девиации от начального межэлектродного зазора для мембраны толщины h=0,78 мм с максимальным прогибом 14,1 мкм и, соответственно, толщины h=0,765 мм с максимальным прогибом 14,7 мкм. Прогиб определялся на основе эпюр перемещений рисунка 3.

Рисунок 4 – Графики зависимости девиации емкости от начального межэлектродного зазора

Рисунок 5 – Эпюры перемещений для жестко закреплённых по контуру мембран

Результаты моделирования изменения емкости мембраны при изменении начального расстояния между обкладками приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Изменение емкости деформированной мембраны при изменении начального расстояния между обкладками от 20 до 25 мкм

Расстояние между обкладками, мкм	20	21	22	23	24	25
Емкость для мембраны толщиной 0,765 мм, пФ	19,81	18,162	16,791	15,627	14,624	13,749
Емкость для мембраны толщиной 0,78 мм, пФ	19,279	17,739	16,444	15,337	14,378	13,537

В результате проведенного имитационного моделирования была определена оптимальная толщина мембраны – h=0,78_-0,015, построены графики девиации рабочей емкости для различных зазоров между обкладками и эпюры механических напряжений в мембране при заданных размерах мембраны.

Указанная толщина h=0,78_-0,015 была выбрана из следующих соображений. На рисунке 5 представлены эпюры перемещения мембран аналогичных толщин при условии, что стенки корпуса абсолютно жесткие, т.е. осуществляется краевое условие абсолютно жесткой заделки мембраны (см. рисунок 1). Как видно из эпюр, перемещения существенно отличаются в меньшую сторону от перемещений на рисунке 3. Это происходит в силу так называемого эффекта «колпачка», т.е. когда в общем перемещении кроме мембраны так же участвуют стенки корпуса.

Однако имитационное моделирование (рисунок 3) проводилось на основе однородной модели, т.е. в ней не учитывались влияние областей сварки чувствительного элемента с корпусом и соответствующих эффектов изменения механических свойств у сплавов под влиянием высоких температур и последующей рекристаллизации в сторону упрочнения стенок датчика.

Таким образом, реальные значения для перемещений мембраны заданной толщины находятся между значениями 10,4–14,12 мкм (с учетом допуска 10,7–14,7 мкм).

По результатам моделирования коэффициент запаса прочности по критическим напряжениям составляет: 2,84, что так же обосновывает выбор указанной толщины.

Для сравнения влияния минимальной толщины мембраны на её перемещение проводилось моделирование с толщиной h=0,8_-0,015 мм. Перемещение мембраны, соответственно для абсолютно жесткого закрепления и с перемещением стенок корпуса, составляют: 9,71–13,29 мкм (10,1–13,83 мкм). Значение девиации при данном исполнении мембраны уменьшится на 5%. При данной толщине мембраны так же обеспечивается требуемое условие по девиации.

Список используемых источников:

1. Фролов М.А., Мусаев Р.Ш., Трофимов А.А. Имитационное моделирование чувствительного элемента датчика давления струнного типа // Датчики и системы. – 2014. – № 7. – С.22 – 25.

2. Мусаев Р.Ш., Фролов М.А., Трофимов А.А. «Имитационное моделирование чувствительного элемента тензорезистивного датчика абсолютного давления» Журнал «Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль». № 2, 2012 г. – с. 51-55.

3. Богуш М.В. Проектирование пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей. Изд-во Техносфера, 2014.

4. Алямовский А.А. - Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. М.:ДМК Пресс, 2010. 464с.

5. Конюхов А.В. - "Основы анализа конструкций в Ansys": Казанский государственный университет – 2001.

Код для цитирования: Скопировать