اثر تخلخل بر تغییر فرم غیر خطی نوک عملگرهای‌های پیزو الکتریک هدفمند

مقدمه: سازه های به شکل تیر خصوصاً عملگرهای با مود خمشی به دلیل سهولت ساخت و انعطاف در طراحی نسبت به سایر کاربردها رایج تر ی داشته و بیشتر مورد توجه محققین قرارگرفته است.روش: در این مطالعه، رفتار غیر خطی هندسی عملگر های متخلخل پیزوالکتریک هدفمند سه بعدی تحت بارهای الکترومکانیکی مورد بررسی قرار گرفته است. ترم های غیر خطی فون - کارمن برای در نظر گرفتن تغییر شکل های غیر خطی هندسی در رابطه جابجایی- کرنش لحاظ شده اند.. معادلات حاکم و شرایط مرزی مربوطه با استفاده از اصل حساب تغییرات به دست آمده اند. به منظور حل معادلات حاکمه غیر خطی، از روش تکراری نیوتن - رافسون و یک المان چهاروجهی ده گره ای و از طریق محیط کد نویسی پایتون در پلتفرم المان محدود منبع باز فنیکس fenics استفاده شده است.یافته ها: اثرات شاخص های مختلف توانی، تخلخل ، نسبت طول به ضخامت و اندازه بارهای اعمالی بر تغییر فرم نوک عملگر متخلخل پیزوالکتریک هدفمند مورد بررسی قرار گرفته است. حساسیت الگوهای مختلف توزیع تخلخل در راستای ضخامت بر تغییر فرم بدون بعد نوک عملگر بررسی شده است.نتیجه گیری: توزیع تخلخل یکنواخت بیش ترین تاثیر و توزیع تخلخل مرکزی کم ترین تاثیر را می پذیرد. به علاوه، تغییرات در شاخص کسر حجمی در محدوده 0 تا 1 بیش ترین نرخ تغییر در جابجایی نوک عملگر را دارد. با مقایسه نتایج مشخص شد که تئوری خطی در مقایسه با تئوری غیر خطی، تغییر فرم ها را در مقادیر بارگذاری الکترومکانیکی قوی بیش از مقدار واقعی پیش بینی می کند. یافته های این مطالعه می تواند در طراحی و ساخت عملگر های متخلخل پیزوالکتریک هدفمند مورداستفاده قرار گیرد.

effect of porosity on nonlinear tip deflection of functionally graded piezoelectric actuators

introduction: beam-shaped structures, especially bending-mode actuators, are more common and have attracted more attention from researchers due to flexibility in design and ease of fabrication.methods: in this study, the geometric nonlinear behavior of three-dimensional functionally graded piezoelectric porous actuators subjected to electro-mechanical loads is investigated using the finite element method. nonlinear von-karman terms are included in the strain– displacement relation to capture the geometric nonlinear deformations.the governing equations and related boundary conditions were derived using the variational principle. the newton-raphson iteration procedure is adopted to solve nonlinear governing equations using a 10-node tetrahedral element via the robust open-source finite element fenics platform that exploits python scripts.findings: the effects of different power law and porosity indexes, length to thickness ratios, and magnitude of applied loads are investigated on the tip deflection of the functionally graded piezoelectric porous actuator. the sensitivity of different patterns of porosity distribution along the thickness direction is explored on the dimensionless tip deflection of the actuator.conclusion: the uniform porosity distribution has the greatest effect on actuator deformation, whereas the central porosity distribution has the least effect. in addition, variation in the volume fraction index in the range 0–1 leads to the highest rate of change in actuator tip deflection. by comparing the results of the linear and nonlinear theories, it has been found that the linear theory overestimates the deformations in the case of strong electromechanical loading. the findings of this research can be used to design and manufacture porous piezoelectric actuators.