Nonlinear modeling of piezoelectric stack actuators with flexure based displacement amplifier mechanisms
Piezoelektrik yığın eyleyicilerin ve esnek mekanik yükseltici mekanizmaların doğrusal olmayan modellenmesi
- Tez No: 763170
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET BÜLENT ÖZER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Mechanical Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Bu tezde, piezoelektrik yığın eyleyicileri için modelleme yöntemleri incelenmiştir. Bu eyleyiciler için hem doğrusal hem de doğrusal olmayan modelleme metodolojisi uygulanmıştır. Genel piezoelektrik denklemlerinden türetilen sonlu elemanlar modeli, piezoelektrik malzemenin doğrusal davranışını modellemek için kullanılmıştır. Sonlu elemanlar modelinin doğrulaması, deneyler vasıtasıyla gerçekleştirilmiş, modelleme ve test sonuçlarının yüksek kalitede eşleştiği gözlemlenmiştir. Mekanik yükselticiler hakkında ayrıntılı bir literatür araştırması yapıldıktan sonra bu çalışma için Rhombus tipi yükseltici mekanizma seçilmiştir. Mekanik yükseltici mekanizması sonlu elemanlar metodu ile tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Tasarlanan mekanizma, üretildikten sonra deneysel olarak doğrulanmıştır. Ayrıca literatürdeki analitik ve geometrik formüllerin doğrulukları karşılaştırılmıştır. Doğrusal modelleme bir eyleyici tasarlamak için yeterli olsa da, hassas mühendislik uygulamaları için doğrusal olmayan kısımlar eklenerek, model daha doğru hale getirilmelidir. Piezoelektrik eyleyiciler oldukça doğrusal olmayan davranış sergiler ve bu doğrusal olmamanın ana sebebi histerezistir. Literatürde bulunan histerezis modelleri sunulduktan sonra, bu çalışma için histeretik davranışı temsil etmek amacıyla Bouc-Wen modeli kullanılmıştır ve literatürdeki modifiye Bouc-Wen modelleri de kapsamlı bir şekilde derlenmiştir. Bu modeller sadece sınırlı voltaj aralıklarında ve simetrik histerezis için iyi çalıştığından, geniş giriş voltaj aralıklarında, (0,150 V) eşleştirme performansını artırmak için çok değişkenli Bouc-Wen modeli olarak adlandırılan yeni bir modifiye Bouc-Wen modeli geliştirilmiştir. Bu çalışmada, Doğrusal olmamanın bir başka nedeni olan sünme de modellenmiş ve model parametreleri testler aracılığıyla bulunmuştur. Piezoelektrik eyleyiciler genellikle bir yükseltici mekanizmasında ön gerilim altında kullanıldığından, ön gerilimin histerezis ve sünme üzerindeki etkisi de ayrıca incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, modeling methods for piezoelectric stack actuators (PSA) are studied. Both linear and nonlinear modeling methodologies are provided. FEM which is derived from constitutive piezoelectric equations is implemented to model linear behavior of piezoelectricity. Validation of the FEM model is performed through experiments. It is observed that modeling and test results are matched with high quality. Rhombus type amplifier mechanism (RTAM) is selected for this study after conducting a detailed literature survey about flexure-based displacement amplifier mechanisms (FDAMs). The amplifier mechanism is designed and optimized via FEM. After manufacturing the mechanism, it is also validated via tests. In addition, accuracy of both analytical and geometrical formulas in literature are compared. Although linear modeling is sufficient to design an actuator, the model should be made more accurate by adding nonlinearities for precise engineering applications. PSAs exhibits highly nonlinear behavior, and the major source of this nonlinearity is hysteresis. Bouc-Wen model is utilized to represent hysteretic behavior for this work. Modified Bouc-Wen models in the literature are compiled comprehensively. As these models only work well in limited voltage ranges with symmetrical hysteresis shapes, a new type modified model named as Multivalued Bouc-Wen model (MVB-W) is developed to increase matching performance in extended input voltage ranges up to 150 V. Moreover, creep, another cause of nonlinearity, is modeled, and its parameters are identified through testing. Since PSAs are generally utilized in an amplifier mechanism under prestress, effect of prestress on hysteresis and creep is also investigated.
Benzer Tezler
- Piezoelektrik tutucunun dizayn ve analizi
The design and analysis of piezoelectric gripper
SEMİH SEZER
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HİKMET KOCABAŞ
- Developing advanced techniques on modeling and system identification of piezoelectric energy harvesting systems
Piezoelektrik enerji toplama sisteminin modelleme ve sistem tanımlama konusunda gelişmiş teknikler geliştirme
SEYEDMORTEZA HOSEYNI
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN
- Finite element modeling of a piezo patch energy harvester and equivalent circuit modeling on a thin plate with AC-DC conversion
İnce bir plaka ve piezoelektrik yamadan oluşan enerji üretecinin sonlu elemanlar modelinin ve AC-DC dönüşümü içeren eşdeğer devre modelinin oluşturulması
BUĞRA BAYIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN
- Design, modelling and analysis of a novel implantable bone conduction hearing aid with a piezoelectric actuator
Özgün bir piezoelektrik eyleyicili kemik iletimli implant işitme cihazının tasarım, modelleme ve analizi
ANIL KOYUNCU
Doktora
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN NEVZAT ÖZGÜVEN
DOÇ. DR. MELİN ŞAHİN
- Biyolojik bir konstrüksiyon elemanı için matematiksel modelleme
Mathematical modeling for a biologic construction element
MELEK USAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Makine MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAHİT KURBANOĞLU