"Y"形流管无阀压电泵振动分析及泵流量计算

为了解决医疗、卫生、保健领域进行细胞或高分子等输送工作的需要,研制了一种新型的压电泵——"Y"形流管无阀压电泵,并对其压电振子振动特性及泵流量计算进行了研究。介绍了"Y"形流管无阀压电泵及其流管的结构和特点;基于圆形薄板弯曲振动理论对压电振子振动进行了理论分析;然后讨论了泵及其流管内流体的流动特性,建立了泵流量方程。最后,基于有限元法对流管内流体流动状态进行了模拟,得到了正反流压强变化规律及正反流流阻。实验结果表明:理论泵流量与实验泵流量变化趋势一致,且两者最小相对误差为12%,证明了理论分析与数值模拟的有效性和正确性。     

细胞或高分子输送用"Y"形流管无阀压电泵的工作原理及流量特性

在泵腔上安装两支互为倒置的具有一定夹角的三通流管,组成泵腔的流入、排出口,并与压电振子、泵体及其他部件共同构成了"Y"形流管无阀压电泵.该泵无自身化学污染源及电磁污染源,也没有阀的开启过程;同时,具有极大的可微小化和集成化的结构能力;而且,在流管内产生的漩涡相对较小,有利于输送活体细胞及长链高分子.提出新型"Y"形流管无阀压电泵的结构.基于有限体积法,分别模拟锥形流管与"Y"形流管中的压力分布与速度矢量分布,证明"Y"形流管中的漩涡远小于圆锥流管中的漩涡,速度、压力的变化也较圆锥流管低.通过具体分析压电振子的振动,建立泵容积变化方程;同时建立泵流量与压电振子频率之间的关系式.最后,通过对所研究的"Y"形流管无阀压电泵进行流量试验后证明"Y"形流管无阀压电泵具有泵特性,进而证明了上述理论模型的正确性.     

非对称分叉流管无阀压电泵的设计及试验

具有微混合功能的多级Y型流管无阀压电泵存在着输出流量与振子带载能力不平衡的问题。为此,提出了一种非对称分叉流管无阀压电泵。首先,理论分析了该无阀压电泵输出流量与流管流阻间的关系;其次,利用有限元软件数值计算了多级Y型流管的流阻特性;最后,采用光固化快速成型技术加工了样机,并进行了泵特性试验和振子振动测试。试验结果表明：在峰峰值200 V正弦波交流电驱动下,该压电泵的流量、扬程和压电振子的振幅都随驱动频率增加呈现先增大后减小的趋势;当驱动频率为31 Hz时,最大流量为4 g/min;驱动频率为38 Hz时,最大扬程为40.5 mmH2O。在试验施加电压范围内,该泵的输出性能与驱动电压呈正相关性。本研究验证了非对称流道树型无阀压电泵的可行性,为非对称无阀压电泵在微流道滴灌和微混合等领域的应用提供了参考。     

“Y”形流管无阀压电泵驱动器的动态研究

为满足输血或输液工作需求而特别设计了一种新型"Y"形流管无阀压电泵,研究了它的驱动器--压电驱动器的工作特性.理论分析了驱动器的动态特性,并推导出其固有频率和最大振幅的计算公式.然后,验证了理论分析的正确性.最后,基于理论模型,对驱动器的几何参数和材料特性对其动态性能的影响进行分析讨论.分析结果表明,压电陶瓷层与基底层的半径比应为0.75左右,厚度比应<1.0.本研究亦为其他类型压电泵的优化设计和制作提供了实用性的参考.     

"Y"形流管无阀压电泵模拟与试验

对"Y"形流管无阀压电泵内部流场及泵流量特性进行了模拟及试验研究.采用CFX软件对"Y"形流管无阀压电泵泵腔内的流场特性进行了模拟分析.结果表明:"Y"形流管无阀压电泵工作时泵腔内的压强变化很小,涡旋对流体传输活体细胞及长链大分子基本无影响.实际制作了"Y"形流管无阀压电泵,并通过改变"Y"形流管的几何尺寸,研究了压电泵进出口端压差的变化规律.试验结果表明,压差随支管夹角增大而减小,并且当两支管宽的和接近主管宽时,压差值达到最小,当支管夹角为5°,宽为1.2 mm时,压差达到最大725 Pa.     

“Y”形流管无阀压电泵模拟与试验研究

为了对“Y”形流管无阀压电泵的工作特性有更深入的了解,使其更好地满足输血、输液等工作的需要,对“Y”形流管无阀压电泵内部流场及泵流量特性进行了模拟及试验研究。采用CFX软件对“Y”形流管无阀压电泵泵腔内的流场特性进行了模拟分析。结果表明：“Y”形流管无阀压电泵工作时泵腔内的压强变化很小,涡旋对流体传输活体细胞及长链大分子基本无影响。实际制作了“Y”形流管无阀压电泵,并通过改变“Y”形流管的几何尺寸,研究了压电泵进出口端压差的变化规律。试验结果表明压差随支管夹角增大而减小,并且当两支管宽的和接近主管宽时,压差值达到最小,当支管夹角为5°,宽为1.2mm时,压差达到最大的74mm水柱。     

"Y"形流管无阀压电泵流量及流管流阻特性分析

目前已有无阀压电泵所采用的无移动部件阀要么结构复杂,要么会产生速度、压强变化显著的湍流流场,不利于应用在医疗、卫生、保健等领域进行活体细胞或长链高分子细胞的输送.针对这些问题,研制一种新型无阀压电泵--"Y"形流管无阀压电泵,并对其进行模拟及试验研究.结合医疗领域输血、输液工作的需要,分析当前几种典型无移动部件阀的优缺点,并介绍"Y"形流管无阀压电泵及其流管的特点.对"Y"形流管无阀压电泵进行理论分析,建立泵流量计算公式.基于有限元法对"Y"形流管内流体流动状态进行模拟,得到"Y"形流管内正反流压强变化规律及内部涡旋较锥形流管内涡旋小的结论,并计算得到"Y"形流管正反向流阻.对"Y"形流管无阀压电泵进行理论与试验流量的比较分析,结果表明,理论泵流量与试验泵流量的最小与最大相对误差分别为7%、13%,也证明了理论分析与数值模拟是正确的.     

变截面“Y”型流管无阀压电泵原理及试验

根据三通全扩散/收缩流管的结构形式,设计了一种无阀压电泵——变截面“Y”型流管无阀压电泵。首先,分析了变截面 “Y”型流管无阀压电泵的工作原理;然后,对变截面“Y”型流管流阻和泵流量进行理论分析,对变截面“Y”型流管进行模拟,得到流管正反向压强损失系数;最后,制作变截面“Y”型流管无阀压电泵样机,并进行流量试验。试验表明：当驱动电压为100 V、驱动频率为12.4 Hz时,流量达到最大,为25.7 ml/min;使用定频12.4 Hz改变电压,当电压为200 V时,最大流量达到41.6 ml/min。该组试验证明了变截面“Y”型流管无阀压电泵的有效性。     

3D打印的锥管坡面腔底无阀压电泵

为提高无阀压电泵的流量特性和解决泵加工工艺性差的问题,研制出了锥形流管坡面腔底无阀泵。首先,提出并设计了锥形流管坡面腔底无阀泵,分析了该泵的工作原理;然后,利用ansys软件对泵腔内流场做了模拟分析,分析结果表明该泵具有传输流体的能力;最后,利用3D打印技术制作了锥形流管坡面腔底无阀泵,并对泵的频率-流量特性进行了试验,驱动频率为8Hz时,锥形流管坡面腔底无阀泵的流量达到最大值26.8ml/min,比相同尺寸坡面腔底无阀压电泵在相同驱动电压条件下输出的最大流量增加了18.6%。试验结果表明,锥形流管坡面腔底无阀泵的流量特性优于坡面腔底无阀压电泵,且采用3D打印技术制作压电泵,提高了泵加工的工艺性,缩短了加工周期,降低了加工成本。     

单振子双腔体无阀压电泵结构设计与机理分析

提出了一种单振子双腔体无阀压电泵,应用小挠度弹性弯曲理论导出了圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,分析了采用一个压电振子形成两个工作腔体压电泵的结构和工作机理,并与单振子单腔体压电泵对比分析了该结构与输出流量的关系。设计研制了结构独特、输出性能更高的单振子双腔体无阀压电泵,通过试验表明:单振子双腔体无阀压电泵比单振子单腔体无阀压电泵输出流量有明显提高。     

菱形压电驱动器对称驱动形式的研究

为了提高压电堆栈的位移输出,该文设计了一种菱形压电驱动器。该机构以压电堆栈作为驱动元件,利用菱形位移放大器放大叠层压电陶瓷的输出位移。该文首先对三角放大原理进行了分析,接着对菱形压电驱动器在一端固定一端驱动负载和两端同时对称驱动负载两种不同的约束方式进行了理论分析,然后利用ANSYS软件对菱形压电驱动器的静、动态特性进行了有限元分析。通过分析结果可以得出,该机构的仿真放大倍数为6. 17,接近于机构的理论放大倍数7. 12,而对称驱动下的工作频率可远远高于一端驱动下的工作频率,并对该结果进行了进一步的分析与讨论。     

悬臂梁阀单腔压电泵设计方法研究

给出了悬臂梁阀单腔压电泵的理论分析,根据压电振子与流体耦合的理论,建立了压电泵系统的动态模型.分析了流体质量、输出压力和系统阻尼对压电泵最佳工作频率的影响,认为减小腔体高度可以提高压电泵的最佳工作频率,提高压电泵的稳定性.通过分析压电振子结构参数对变形量的影响规律,确定了振子的最佳结构参数,认为压电陶瓷层与金属基板厚度比取0.45～0.55,直径比取0.8～0.9最佳.研究了压电泵出流形式对压电泵输出能力的影响,认为轴後向出流有利于提高压电泵的输出能力.     

积层式压电驱动器的有限元建模分析

该文利用有限元分析法对直动式压电伺服阀驱动元件-积层式压电驱动器的静、动态特性进行了深入的分析,建立了积层式压电驱动器多层压电结构的有限元模型,得到静态与动态工作的分析结果。理论分析的结果表明,积层式压电驱动器具有较大的输出位移与输出力,以及具有良好的动态响应特性,由其构造压电伺服阀,不会限制系统的频宽,结合合理的放大机构与阀体结构,有望达到高速、精密的伺服控制。     

超声切割用压电换能器理论设计及有限元仿真

基于波动方程和频率方程,建立了电镀金刚石线锯超声切割用压电换能器的解析模型,得到了压电换能器各组成部分的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的压电换能器进行了动力学分析和优化设计,得到了压电换能器的优化模型。分析结果表明,有限元法对压电换能器的设计和分析具有很好的指导作用。这种换能器具有良好的性能,对下一步的应用研究有重要意义。     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

双向作动大行程二自由度稳像机构

针对光学稳像系统的双向动态大行程的设计要求,本文设计了一种可伸缩双向作动的压电作动器,并基于此压电作动器设计了二自由度稳像机构。压电作动器由一个收缩式三角位移放大机构和一个伸张式三角位移放大机构组成。位移放大机构可为压电平台提供足够的行程,柔性铰链可使平台结构更加紧凑。接着,利用有限元分析软件ANSYS对平台结构进行静力学仿真,模拟了平台的位移和应力变化。最后对原理样机进行了实验分析,实验结果显示所设计压电平台在低电压和低频率下有足够大的行程和足够快的响应速度,作动器在120V电压下的输出位移在67μm左右,基本满足稳像系统的性能要求,故平台结构的设计方案是可行的。     

基于铌酸锂制作光弹调制器用压电驱动器

基于石英(SiO2)制作光弹调制器(PEM)的压电驱动器时,存在机电耦合系数小、需高压驱动且谐振频率随温度漂移严重等缺陷,故本文研究了PEM的优化设计方法。考虑铌酸锂(LiNbO3)特殊的晶体结构,从理论上推导了LiNbO3晶片作为压电驱动器的可行性,并确定其切型为zyw/35°切。基于有限元分析软件COMSOL4.3a仿真,确定了晶片体积和谐振频率,设计了LiNbO3压电驱动器。对设计出的压电驱动器进行了压电性能测试,并和SiO2压电驱动器进行了比较。将LiNbO3压电驱动器和硒化锌(ZnSe)光弹晶体组合成PEM,用671nm激光进行了光弹调制实验。实验结果表明:实现相同位移时,SiO2压电驱动器需要的驱动电压是LiNbO3压电驱动器的100多倍,且后者横向长度伸缩振动模式单一性和稳定性均优于前者。驱动电压为3.76V时,671nm的激光通过基于LiNbO3压电驱动器的PEM的调制光程差为3.7μm。得到的结果表明:基于LiNbO3压电驱动器的PEM易于驱动控制,调制性能优于基于SiO2驱动器的PEM。     

含金属芯压电纤维的驱动特性研究

针对含金属芯压电纤维这种新型驱动器的确定特性,建立了悬臂杆结构含金属芯压电纤维驱动器的理论模型.根据第一类压电方程,推导出了自由端位移、夹持力和纵向共振频率的解析表达式,分析了金属芯性能和半径对这3个参数的影响;并把理论计算结果和有限元分析结果进行了比较.通过实验测量了自由端位移和夹持力.理论和实验结果表明,这种驱动器...     

半柔性阀压电泵理论与实验

根据静脉瓣结构形式,设计了一种半柔性阀压电泵。首先,介绍了半柔性阀压电泵的结构及工作原理;其次,对阀体进行了理论分析;最后,加工了实验样机,对样机进行性能测试实验。实验结果表明:在驱动电压为220V、频率为7Hz时,半柔性阀压电泵的进出口压差可达到199mm;在驱动电压为220V、频率为11Hz时,半柔性阀压电泵的实验流量为44.5ml/min。随着驱动电压的升高,工作频率与流量出现单峰与双峰的现象。该研究证明了半柔性阀压电泵具有泵的功能并可以实现有阀和无阀状态,验证了其有效性和理论分析的正确性。