مدل‌سازی دینامیکی جامع و تحلیل رفتار سامانه تزریق قطره سیال به کمک پیزوالکتریک

سامانه‌های تزریق قطره سیال مبتنی بر پیزوالکتریک، به‌عنوان دستگاه‌های کاربردی در بسیاری از صنایع استفاده می‌شوند. بااین‌حال، ساختار الکترومکانیکی آن‌ها اغلب پیچیدگی‌هایی در مدل‌سازی دینامیکی ایجاد می‌کند که ناشی از تعامل بین اجزای مختلف، به‌ویژه مکانیزم‌های منعطف و عملگرهای پیزوالکتریک است. در این مطالعه، اجزای سیستم به‌صورت جداگانه مدل‌سازی و با هم ترکیب شده‌اند، تا رفتار سیستم پیش‌بینی شود. برای تحلیل مکانیزم منعطف نوع پل، روشی مناسب پیشنهاد شده تا ساختار را با حالت‌‌های محدود مدل‌سازی کند. این روش می‌تواند رفتار اجزا را بدون کاهش دقت پیش‌بینی کند که آن را برای ترکیب با دینامیک سایر اجزا ایده‌آل می‌سازد. علاوه بر این، یک رویکرد مدل‌سازی غیرخطی معرفی شده است، تا رفتار هیسترزیس غیرخطی پیزوالکتریک را شناسایی نماید. در نهایت، با ترکیب کل دینامیک سیستم، یک مدل جامع به دست می‌آید. مدل توسعه‌یافته برای مکانیزم منعطف، به‌صورت مجزا توسط نرم‌افزار المان محدود و آزمایش‌های تجربی صحه‌‌گذاری شده است، تا دقت آن اثبات شود. مدل هیسترزیس غیرخطی نیز شناسایی و با آزمایش‌های تجربی صحه‌گذاری شده و مقدار ضریب تعیین آن بالای 0/98 محاسبه شده است. دینامیک جامع سیستم الکترومکانیکی، در فرکانس‌های ورودی مختلف شناسایی و آزمایش شده و مقادیر ضریب تعیین بالای0/95 برای تمام فرکانس‌های ورودی به‌دست‌آمده است، که دقت مدل دینامیکی را تایید می‌نماید. به‌طورکلی، مدل توسعه‌یافته در طراحی و بهینه‌سازی دستگاه‌های تزریق قطره سیال پیزوالکتریک و همچنین در طراحی سیستم‌های کنترلی کاربردی است.

comprehensive dynamic modeling and characterization of a piezoelectric droplet dispenser

piezoelectric dispensers are widely applicable devices across many industries. however, their electromechanical structure often poses complexity in dynamic modeling. the interplay of many components especially compliant mechanisms and piezoelectric actuators makes modeling of the system challenging. in this study, the components of the system have been modeled individually and coupled together to predict the system behavior. for analyzing the bridge-type compliant mechanism, an appropriate method is proposed to model the structure with limited states. the mentioned method can predict the component behavior without sacrificing the precision which makes it ideal for coupling with other components dynamics. additionally, a non-linear modeling approach is introduced to capture the piezoelectric non-linear hysteresis behavior. finally, by coupling the whole system dynamic,  a comprehensive model is reached. the model developed for the compliant mechanism is individually validated by fem software and experiments to prove the accuracy. the hysteresis nonlinear model is also identified and validated with the experiments with r squared exceeding 0.98. the entire coupled dynamics of the electromechanical system are identified and tested across several input frequencies. r-squared values exceed 0.95 for all input frequencies, affirming the accuracy of the dynamic model.