Стратегии численного расчета эффективности работы пьезоэлектрических сенсоров и актуаторов

Пьезоэлектрические материалы находят многочисленные применения благодаря практически линейным зависимостям между механическими и электрическими полями с высокими коэффициентами связанности. Для конкретных применений необходимо оптимизировать конструкции пьезопреобразователя и подобрать тип пьезоэлектрического материала или композита. Эти устройства могут выступать как сенсоры (например, генераторы «зеленой энергии») или актуаторы (например, ультразвуковые излучатели), которые работают в нерезонансных режимах приема или в резонансных режимах излучения.
Для моделирования эффективности работы таких устройств часто необходим комплекс взаимосвязанных расчетов в статическом, модальном, гармоническом и нестационарном режимах анализа. Во многих ситуациях требуется учесть внешнюю акустическую или жидкую среду и внешние электрические цепи. При использовании композитных пьезокерамических материалов предварительно нужно определить эффективные модули из решения специальных задач гомогенизации, включающих расчеты неоднородности поля поляризации пьезокерамики и обусловленной этим неоднородности ее материальных свойств. В работе приводятся и обсуждаются конечно-элементные стратегии, ориентированные на использование программных комплексов ANSYS APDL и ACELAN, причем во втором пакете реализованы расчеты с матрицами седловой структуры. Приведен ряд примеров расчетов пьезоэлектрических композитов и устройств.
Работа выполнена в Южном федеральном университете при поддержке гранта РНФ № 22-11-00302-П, https://rscf.ru/project/22-11-00302/.