Диссертация (Разработка методики расчета и проектирования актюаторов дискретного действия), страница 11

4.5.Исходная и деформированная формы актюатораРис. 4.6.Рабочая характеристика актюатора без отверстия (красная линия – ANSYS 14.5,синяя линия – «Актюатор 1.0»)крВерхняя критическая температура 1 = 120℃, нижняя критическаятемпературакр2 = 32℃.Результатыпоказываютхорошеесовпадение,96различие в критических температурах составляет менее 5%, что позволяетутверждать о достоверности полученных результатов. При измельчении сеткинаблюдалась сходимость решения.

При использовании различных конечныхэлементов получены схожие результаты.В дополнение сравним результаты работы программы «Актюатор 1.0» срезультатами эксперимента, описанного в [104].В эксперименте использовались стальные актюаторы в виде пологихосесимметричных оболочек (Рис. 4.7). Актюаторы закреплялись на опоресосуда для испытаний с помощью фланца (Рис.4.8), дополнительного хомута и8 болтов (Рис. 4.9).

Актюаторы были нагружены равномерным давлением .Рис. 4.7.Геометрические параметры сферического актюатора [104]Материалактюатораобладаетследующимимеханическимихарактеристиками: модуль упругости - 207 ГПа, коэффициент Пуассона – 0.28.Геометрические параметры тестовых образцов (Табл. 5) были измерены спомощью трехосного координатного измерительного стола (Рис. 4.10).Средойпроизводилосьприложениядавленияснасоса.помощьюявлялосьВходемасло.экспериментаНагружениеактюаторыпрохлопывали при пошаговом (от критического давления) приложенииквазистатического давления. Актюатор после прохлопывания показан на Рис.4.11.97Сравнение значения критических давлений, полученных в результатеэксперимента, с результатами работы программы «Актюатор 1.0» приведено вТабл. 6.Рис.

4.8.Фланец сферической оболочки [104]Рис. 4.9.Сосуд для испытаний с закрепленным в нем сферическим актюатором98Близость значений критических давлений позволяет утверждать одостоверности результатов, полученных в авторской программе.Рис. 4. 10.Стол для измерения геометрических параметров [104]Таблица 5.Параметры образцовНомер образца2, мм, мм, мм, мм1166.121.901.01816.52166.132.151.021605.73166.103.931.03878.6Рис. 4.11.Фотография сферического актюатора после прохлопывания99Таблица 6.Сравнение результатов эксперимента с результатами, полученными впрограмме «Актюатор 1.0»Номерэкспериментактюаторакр, МПаэксперименткр"Актюатор 1.0"/кр10.04581.0420.05230.9230.2111.011.1.2. Исследование влияния основных параметров куполообразногоактюатора на его рабочую характеристикуИсследовано влияние основных параметров актюатора (радиуса кривизнымеридиана, радиуса опорной поверхности, толщины, диаметра центральногоотверстия) на рабочую характеристику с целью исследования пространствапараметров для решения задачи синтеза.Влияние радиуса кривизны меридиана актюатораАнализ проводился при неизменных радиусе опорной поверхностии толщине актюатора ( = 2.5 мм, ℎ = 0.04 мм).

Радиус кривизны меридианаактюатора изменялся от 20 мм до 40 мм.Семейство рабочих характеристик в пространстве температура –перемещение – радиус кривизны показано на Рис. 4.12. Существуеткритическое значение радиуса кривизны меридиана актюатора, при которомрабочая характеристика перестает быть дискретной. Поверхность равновесныхсостояний в трехмерном пространстве имеет вид сборки Уитни [2].НаРис.4.13показаназависимостькритическихтемпературпереключения актюатора от радиуса кризизны его меридиана.

При увеличении100радиуса кривизны меридиана актюатора первая критическая температурапонижается, вторая критическая температура увеличивается.На Рис. 4.14 показана зависимость перемещения точки закрепленияконтакта от радиуса кризизны его меридиана. Полезное перемещение точкизакрепления контакта уменьшается при увеличении радиуса кривизнымеридиана актюатора.Рис. 4.12.Влияние радиуса кривизны меридиана актюатора на рабочую характеристикуРис. 4.13.Влияние радиуса кривизны меридиана актюатора критические на температуры101Т.о.

проекция поверхности равновесных состояний в подпространствоуправляющих параметров может иметь особые точки: малое изменениепараметров может вызывать бифуркацию или катастрофу - резкий переходсистемы в новое состояние при критических значениях параметров.Рис. 4.14.Влияние радиуса кривизны меридиана актюатора на полезное перемещениеВлияние радиуса опорной поверхности актюатораАнализ проводился при неизменных радиусе кривизны меридиана итолщине актюатора ( = 30 мм, ℎ = 0.04 мм). Радиус опорной поверхностиактюатора изменялся от 2 мм до 4 мм.Семейство рабочих характеристик в пространстве температура –перемещение – радиус опорной поверхности показано на Рис.

4.15. Существуеткритическое значение радиуса опорной поверхности актюатора, при которомрабочая характеристика перестает быть дискретной. Критическая нагрузкаувеличивается при увеличении радиуса опорной поверхности, т.к. оболочкастановится более жесткой.102Влияние толщины актюатораАнализ проводился при неизменных радиусе кривизны меридиана ирадиусе опорной поверхности актюатора ( = 30 мм, = 2.5 мм). Толщинаактюатора изменялась от 0.02 мм до 0.06 мм.Семейство рабочих характеристик в пространстве температура –перемещение - толщина показано на Рис.

4.16. Существует критическоезначение толщины актюатора, при котором рабочая характеристика перестаетбыть дискретной.Рис. 4.15.Влияние радиуса опорной поверхности актюатора на рабочую характеристику103Влияние диаметра отверстия актюатораОсновные параметры осесимметричного диска с отверстием показаны наРис. 4.17:Рис. 4.16.Влияние толщины актюатора на рабочую характеристикуРис. 4.17.Геометрические параметры актюатора с центральным отверстиемГраничные условия соответствуют закреплению диска по центральномуотверстию и условиям симметрии по меридианным линиям, ограничивающимчетверть диска (Рис. 4.18).104Анализ проводился при неизменных радиусе кривизны меридиана,толщине актюатора и радиусе опорной поверхности ( = 25 мм, ℎ =0.04 мм, = 2.5 мм).

Диаметр отверстия актюатора изменялся от 0 мм до 2 мм.Семейство рабочих характеристик в пространстве температура –перемещение – диаметр центрального отверстия показано на Рис. 4.19.Существует критическое значение диаметра отверстия актюатора, при которомрабочая характеристика перестает быть дискретной.Рис. 4.18.Граничные условияРис. 4.19.Влияние диаметра отверстия актюатора на рабочую характеристику105НаРис.4.20показаназависимостькритическихтемпературпереключения актюатора от диаметра ответстия.

По мере приближения размерадиаметраотверстияккритическойвеличине,диапазонтемпературпереключения резко понижается (около 10℃). При увеличении диаметраотверстия вторая критическая температура увеличивается.На Рис. 4.21 показана зависимость перемещения точки закрепленияконтакта от диаметра отверстия. Полезное перемещение точки закрепленияконтакта уменьшается при увеличении диаметра отверстия.Рис. 4.20.Влияние диаметра отверстия актюатора на критические температурыПри маленьких размерах отверстия(/2 ≤ 0.1) оно не оказываетсущественного влияния на упругую характеристику.4.1.3. Решение задачи синтеза однопараметрического актюатораРассмотрена задача определения радиуса кривизны меридиана, прикотором срабатывание актюатора термодатчика для контроля температурыпроисходит при заданной температуре. Задача была решена в авторскойпрограмме «Актюатор 2.0» и с помощью эволюционного алгоритма.106Синтез проводился при следующих неизменных параметрах: радиусопорной поверхности актюатора = 2.5 мм, толщина ℎ = 0.04 мм.

Физикомеханические характеристики слоев приведены в Табл. 1. Граничные условиядля термобиметаллического актюатора в форме тонкой сферической оболочкина внешнем контуре соответствуют условиям шарнирного опирания.Рис. 4.21.Влияние диаметра отверстия актюатора на полезное перемещениеС помощью программы «Актюатор 2.0» было получено, что дляреализации срабатывания при температуре 60℃ радиус кривизны меридианадолжен равняться 32.4 мм (Рис. 4.22).Результаты, полученные с применением эволюционного алгоритмапоказали хорошее совпадение с результатами авторской программы. Приодинаковой точности результатов трудозатраты при использовании программы«Актюатор 2.0» оказываются на порядок меньше.4.1.4. Решение задачи синтеза многопараметрического актюатораРешеназадачаминимизацииплощадиактюатора,реализующегопрохлопывание на заданную величину при заданном значении критическогодавления (были заданы ограничения на величину перемещения характерной107точкипослепрохлопыванияикритическоедавление: ∗ [140,150]мкм, ∗ [85,95]Па):Площадь актюатора→ (140 − ∗ ) ≤ 0, ( ∗ − 150) ≤ 0,(4.1)(85 − ∗ ) ≤ 0, (∗ − 95) ≤ 0.Рис.

4.22.Синтез куполообразного актюатораПараметрами актюатора являлись радиус кривизны меридиана Rm, радиусотверстия r1. Толщина актюатора линейно изменяется от h1 до h2 междурадиусами r1 и r2 , от h2 до h3 между радиусами r2 и r3 и от h3 до h4 междурадиусами r3 и внешним радиусом. (Рис. 4.23). Границы изменения параметровприведены в Табл. 7.Актюатор изготовлен из кремния (физико-механические характеристики1 = 1.35 ∙ 105 МПа, = 0.3). Актюатор жестко закреплен по контуру108отверстия.Актюаторнагруженравномернымдавлениемпокольцу,ограниченному радиусом и внешним радиусом.В ANSYS 14.5 задача решалась по осесимметричной модели сиспользованиемэлементовPLANE183свключениемопциибольшихперемещений методом дуговых засечек.Рис.