压电泵动力学分析与优化设计
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摘要
压电泵是微小型流体泵研究的一个主要领域，其具有体积小、能量密度高、流量分辨率高及便于数字化控制等方面的优点。压电泵在检测设备、仪器仪表、机械及电器等领域具有广阔的应用前景，在国外已有成型的压电泵产品。通过对国内外研究及应用现状的分析可以看出，目前制约压电泵广泛应用的主要是由于压电泵与系统的结合过程中存在的问题，而目前并未出现对压电泵动力学特性的系统研究。
本文结合国家高技术研究发展项目“血糖监测与胰岛素注射微系统”（项目编号：2011AA040406），国家自然科学基金项目“压电型气体隔膜泵设计理论与关键技术研究”（项目编号：51175213）和“多腔压电泵用作血泵的基础理论与试验研究”（项目编号：81171481）开展研究，以微小型压电泵为研究对象，进行了动力学特性的理论分析、仿真分析及试验研究。为微小型压电泵的设计与应用提供理论依据。具体研究内容如下：
1.压电振子输出力分析
压电振子是压电泵的动力原件，在小变形理论的基础上建立等效集中力模型，并根据该模型对压电陶瓷的各部分尺寸参数与等效集中力的关系进行分析。讨论了泵用压电振子的选择方法及主要参数的选择依据。提出一种基于常用仪器的压电振子动力学参数的测试方法，并用其测试样机振子，得到样机中压电振子的动力学参数。通过所建立模型对振子设计中的相关参数进行了分析，得出了参数的选择次序及其常用范围内参数对所输出的等效集中力的影响规律，并通过试验验证了结论的正确性。
2.压电泵动力学分析
压电泵存在一个最优的工作频率，其频率特性是影响输出性能的一个主要因素，而动力学模型的建立是研究其动态性能的基础。在静态特性的基础上对压电泵的动态工作状态进行描述，采用将阀与主振质量分离的方法简化压电泵结构，结合粘性流体的振动流动模型讨论压电泵动力学模型。用阻抗分析法研究压电泵的动态性能并验证理论分析结论，实验表明采用振子自身的等效刚度作为系统的总体刚度时，模型计算得到的频率与实际情况相差很大。将支撑引入振动系统中，从其结构形式及粘弹性特点的角度进行讨论，得到的改进的动力学系统模型可以很好的预测简化结构的动力学特性。对泵内过流区的各部分阻尼进行了研究，并将其引入到动力学系统中，用以分析各部分流阻对主振质量输出位移及运动的影响。
3.压电泵出流模型建立与分析
要对压电泵进行优化，就要得到其输出力流量模型，而有阀泵的模型相对复杂难以直接得到，因此以工作流体连续运动的无阀泵为切入，得到模型后推广到有阀压电泵。首先对无运动部件阀构成的无阀泵的单向出流机理进行讨论，并将其容积效率特性与压电泵主振质量结合，建立压电泵的流量输出模型。在此基础上利用正反流阻差概念将有阀泵和无阀泵的出流机理进行统一，并建立有阀泵的简化模型。对阀的不完全关闭现象进行讨论，进而得到压电泵在阀不完全关闭状态下的流量模型，最终对有阀泵一般状态下的出流特性进行讨论，对泵的最终输出特性进行预测，为泵阀设计提供一种新的方法。
4.压电泵部件优化设计与试验研究
在压电泵动力学系统基础上，建立各部件设计参数与系统的动力学参数之间的关系，根据对压电泵性能要求优化各部件的结构尺寸。根据压电泵出流模型可知影响系统输出幅值的直接因素是阻尼，即过流区的流阻特性，因此进行过流区仿真分析；通过支撑的设计与选用控制压电泵的频率特性；建立阀结构参数与系统动力学参数的关系。对以上参数进行优化实验，最后通过阀与压电泵主振质量的频率匹配提高压电泵的输出性能，同时得到理想的频率特性。
5.负载对压电泵输出性能影响研究
利用压电泵系统的基本动力学模型和流量模型可以对压电泵的结构参数进行优化。但由于压电泵的输出总功率较小，要将其应用于不同的工作状态下就要将其与具体的应用及负载相结合，对压电泵进行优化以实现更广泛的应用。首先分类讨论压电泵的外部负载，并分析其所输送介质特性对泵性能的影响，再对外部的环境温度对泵性能的影响进行研究，最后对影响最明显的气泡对压电泵性能的影响展开系统的分析。通过气泡的形成、两相流的流动状态及流型、气泡对系统动力学特性的影响及泵中界面特性的研究，得出气泡对压电泵输出性能的影响规律及其主要因素，在此基础上选择合理的方法增强压电泵的抗气泡能力。
本文结合压电学、机械动力学、流体力学、流体动力学、材料学及电学相关理论对压电泵的动力学特性及应用进行讨论。研究工作为微小型压电泵的设计提供了一种新的理论方法，对同类结构的微小型流体输送设备的设计具有借鉴意义。
The pump is a micro fluid transfer equipment, which is a diaphragm pump belonging tothe reciprocating pumps. Compared with the conventional diaphragm pump, the input forceof the piezoelectric pump is relatively small, the diaphragm vibration amplitude and cavityvolume change of the piezoelectric pump is less than that of the traditional diaphragm pumps.In the process of its work, the impact of the fluid properties, the driving membercharacteristics and the driven member characteristics on the movement of the system aremore obvious.It study the kinetic characteristics of the piezoelectric pump, in order toimprove the design method for it and make performance predictions for it. the piezoelectricpump.
From the research of the input and output piezoelectric ceramic, it discuss on the forcegenerated by the piezoelectric effect of piezoelectric ceramic. Through the applicationelastomer deformation theory, that equivalent concentrated force is converted to a stress ofplane, it discuss the system dynamics of the equivalent concentrated force. In the sametime,it discuss the force of the piezoelectric oscillator parameters on the equivalent output,and give the design method of the piezoelectric transducer.
Simplify the piezoelectric pump structure, discuss the dynamics of the system invalveless conditions. Select reasonable experimental methods to test the dynamics of thesystem when it used different media. Verify that the key role of the transport medium in thepump dynamics. On this basis, established foundation vibration mechanics model whichincluded piezoelectric pump and transmission fluid, discussed and experimented about thefrequency characteristic of the system.
For each component characteristics of piezoelectric pump, the basis of model of thepiezoelectric pump system make improvements. To the different support characteristics, onthe base model it is established that2degrees of freedom viscoelastic dynamics ofdegradation. This model can predict the impact of the viscoelastic support and combine theoutput characteristics of the system. To Analysis of the piezoelectric pump internal all kindsovercurrent area and which formed the damping characteristics. Combine dampingcharacteristics to simplify the model, it increase the applicability of the model and theaccuracy of the prediction.
The kinetic model of piezoelectric pump main vibration quality that referenced to thevalveless piezoelectric pump and valve piezoelectric pump, It formed consistentinterpretation. As the starting point of the asymmetry of the flow resistance, discuss to the flow mechanism of the valveless pump and the valve pump, analyzed of the impact low ofthe two kinds of forming asymmetric flow resistance to the quality of the main vibrationvibration characteristics.
Throught the experment, it found of the no completely close characteristic of the valve.Through theoretical analysis, the condition of the valve occurs not completely shut dowmwas obtained. Discussion of continuous changes in flow resistance in a state where the valveis not fully closed, there will be no moving parts of the valve efficiency formula extended tothe moving parts of the valve. Further discussion of the volumetric efficiency of the valvewhich is dynamic discontinuous working conditions between static work and dynamiccontinuous work, it can be used as a new means of piezoelectric pump valve characteristicswhich proposed the calculation method.
This paper attempts to comprehensive analysis of the motion process, the outputcharacteristics and parts characteristics of the piezoelectric pump, establish the basic modelfor system optimization and prediction and the improved model for the design of the variouscomponents, illustrate the applicability and the scope of the model by experimental andtheoretical analysis. On the basis, discusse the parameters design of the piezoelectric pump,discusse the apply theory, and provide abasis for the piezoelectric pump putting into practicaluse dynamics of the piezoelectric pump, that provides a new way of idea of the piezoelectricpump characteristics forecast and active Control, can be used as a new reference method ofthe piezoelectric pump design for Researchers.
本文结合国家高技术研究发展项目“血糖监测与胰岛素注射微系统”（项目编号：2011AA040406），国家自然科学基金项目“压电型气体隔膜泵设计理论与关键技术研究”（项目编号：51175213）和“多腔压电泵用作血泵的基础理论与试验研究”（项目编号：81171481）开展研究，以微小型压电泵为研究对象，进行了动力学特性的理论分析、仿真分析及试验研究。为微小型压电泵的设计与应用提供理论依据。具体研究内容如下：
1.压电振子输出力分析
压电振子是压电泵的动力原件，在小变形理论的基础上建立等效集中力模型，并根据该模型对压电陶瓷的各部分尺寸参数与等效集中力的关系进行分析。讨论了泵用压电振子的选择方法及主要参数的选择依据。提出一种基于常用仪器的压电振子动力学参数的测试方法，并用其测试样机振子，得到样机中压电振子的动力学参数。通过所建立模型对振子设计中的相关参数进行了分析，得出了参数的选择次序及其常用范围内参数对所输出的等效集中力的影响规律，并通过试验验证了结论的正确性。
2.压电泵动力学分析
压电泵存在一个最优的工作频率，其频率特性是影响输出性能的一个主要因素，而动力学模型的建立是研究其动态性能的基础。在静态特性的基础上对压电泵的动态工作状态进行描述，采用将阀与主振质量分离的方法简化压电泵结构，结合粘性流体的振动流动模型讨论压电泵动力学模型。用阻抗分析法研究压电泵的动态性能并验证理论分析结论，实验表明采用振子自身的等效刚度作为系统的总体刚度时，模型计算得到的频率与实际情况相差很大。将支撑引入振动系统中，从其结构形式及粘弹性特点的角度进行讨论，得到的改进的动力学系统模型可以很好的预测简化结构的动力学特性。对泵内过流区的各部分阻尼进行了研究，并将其引入到动力学系统中，用以分析各部分流阻对主振质量输出位移及运动的影响。
3.压电泵出流模型建立与分析
要对压电泵进行优化，就要得到其输出力流量模型，而有阀泵的模型相对复杂难以直接得到，因此以工作流体连续运动的无阀泵为切入，得到模型后推广到有阀压电泵。首先对无运动部件阀构成的无阀泵的单向出流机理进行讨论，并将其容积效率特性与压电泵主振质量结合，建立压电泵的流量输出模型。在此基础上利用正反流阻差概念将有阀泵和无阀泵的出流机理进行统一，并建立有阀泵的简化模型。对阀的不完全关闭现象进行讨论，进而得到压电泵在阀不完全关闭状态下的流量模型，最终对有阀泵一般状态下的出流特性进行讨论，对泵的最终输出特性进行预测，为泵阀设计提供一种新的方法。
4.压电泵部件优化设计与试验研究
在压电泵动力学系统基础上，建立各部件设计参数与系统的动力学参数之间的关系，根据对压电泵性能要求优化各部件的结构尺寸。根据压电泵出流模型可知影响系统输出幅值的直接因素是阻尼，即过流区的流阻特性，因此进行过流区仿真分析；通过支撑的设计与选用控制压电泵的频率特性；建立阀结构参数与系统动力学参数的关系。对以上参数进行优化实验，最后通过阀与压电泵主振质量的频率匹配提高压电泵的输出性能，同时得到理想的频率特性。
5.负载对压电泵输出性能影响研究
利用压电泵系统的基本动力学模型和流量模型可以对压电泵的结构参数进行优化。但由于压电泵的输出总功率较小，要将其应用于不同的工作状态下就要将其与具体的应用及负载相结合，对压电泵进行优化以实现更广泛的应用。首先分类讨论压电泵的外部负载，并分析其所输送介质特性对泵性能的影响，再对外部的环境温度对泵性能的影响进行研究，最后对影响最明显的气泡对压电泵性能的影响展开系统的分析。通过气泡的形成、两相流的流动状态及流型、气泡对系统动力学特性的影响及泵中界面特性的研究，得出气泡对压电泵输出性能的影响规律及其主要因素，在此基础上选择合理的方法增强压电泵的抗气泡能力。
本文结合压电学、机械动力学、流体力学、流体动力学、材料学及电学相关理论对压电泵的动力学特性及应用进行讨论。研究工作为微小型压电泵的设计提供了一种新的理论方法，对同类结构的微小型流体输送设备的设计具有借鉴意义。
The pump is a micro fluid transfer equipment, which is a diaphragm pump belonging tothe reciprocating pumps. Compared with the conventional diaphragm pump, the input forceof the piezoelectric pump is relatively small, the diaphragm vibration amplitude and cavityvolume change of the piezoelectric pump is less than that of the traditional diaphragm pumps.In the process of its work, the impact of the fluid properties, the driving membercharacteristics and the driven member characteristics on the movement of the system aremore obvious.It study the kinetic characteristics of the piezoelectric pump, in order toimprove the design method for it and make performance predictions for it. the piezoelectricpump.
From the research of the input and output piezoelectric ceramic, it discuss on the forcegenerated by the piezoelectric effect of piezoelectric ceramic. Through the applicationelastomer deformation theory, that equivalent concentrated force is converted to a stress ofplane, it discuss the system dynamics of the equivalent concentrated force. In the sametime,it discuss the force of the piezoelectric oscillator parameters on the equivalent output,and give the design method of the piezoelectric transducer.
Simplify the piezoelectric pump structure, discuss the dynamics of the system invalveless conditions. Select reasonable experimental methods to test the dynamics of thesystem when it used different media. Verify that the key role of the transport medium in thepump dynamics. On this basis, established foundation vibration mechanics model whichincluded piezoelectric pump and transmission fluid, discussed and experimented about thefrequency characteristic of the system.
For each component characteristics of piezoelectric pump, the basis of model of thepiezoelectric pump system make improvements. To the different support characteristics, onthe base model it is established that2degrees of freedom viscoelastic dynamics ofdegradation. This model can predict the impact of the viscoelastic support and combine theoutput characteristics of the system. To Analysis of the piezoelectric pump internal all kindsovercurrent area and which formed the damping characteristics. Combine dampingcharacteristics to simplify the model, it increase the applicability of the model and theaccuracy of the prediction.
The kinetic model of piezoelectric pump main vibration quality that referenced to thevalveless piezoelectric pump and valve piezoelectric pump, It formed consistentinterpretation. As the starting point of the asymmetry of the flow resistance, discuss to the flow mechanism of the valveless pump and the valve pump, analyzed of the impact low ofthe two kinds of forming asymmetric flow resistance to the quality of the main vibrationvibration characteristics.
Throught the experment, it found of the no completely close characteristic of the valve.Through theoretical analysis, the condition of the valve occurs not completely shut dowmwas obtained. Discussion of continuous changes in flow resistance in a state where the valveis not fully closed, there will be no moving parts of the valve efficiency formula extended tothe moving parts of the valve. Further discussion of the volumetric efficiency of the valvewhich is dynamic discontinuous working conditions between static work and dynamiccontinuous work, it can be used as a new means of piezoelectric pump valve characteristicswhich proposed the calculation method.
This paper attempts to comprehensive analysis of the motion process, the outputcharacteristics and parts characteristics of the piezoelectric pump, establish the basic modelfor system optimization and prediction and the improved model for the design of the variouscomponents, illustrate the applicability and the scope of the model by experimental andtheoretical analysis. On the basis, discusse the parameters design of the piezoelectric pump,discusse the apply theory, and provide abasis for the piezoelectric pump putting into practicaluse dynamics of the piezoelectric pump, that provides a new way of idea of the piezoelectricpump characteristics forecast and active Control, can be used as a new reference method ofthe piezoelectric pump design for Researchers.
引文
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