擴(kuò)散-收縮式無閥壓電泵的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、壓電泵是利用壓電體激發(fā)的振動(dòng)直接作用于流體，使其產(chǎn)生動(dòng)壓或流量輸出的一種新型流體泵。相對于傳統(tǒng)泵，壓電泵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無電磁干擾、輸出特性易于控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、生物基因工程，化學(xué)分析，機(jī)器人等領(lǐng)域。
　　壓電泵不是傳統(tǒng)泵的簡單微型化，其形狀、尺寸、流體的流動(dòng)特性等對泵的性能均有很大影響。本文提出的擴(kuò)張管/收縮管型無閥壓電泵不僅克服普通壓電泵的一些常見缺陷（如工作頻率較低，流量輸出波動(dòng)大，運(yùn)動(dòng)

2、部件的早期磨損和疲勞破壞），還可以將泵的驅(qū)動(dòng)源部分、傳動(dòng)部分及泵體三者制成一體，大大簡化壓電泵的結(jié)構(gòu)，提高其工作可靠性。此外，該泵還具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低和易于微型化等特點(diǎn)。為探討該泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律提高其性能，本文具體研究內(nèi)容及結(jié)論主要包含以下幾方面:
　　1.簡要地概述了基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的微型泵及其分類，對壓電泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景進(jìn)行了歸納總結(jié)。
　　2.介紹了微尺度流動(dòng)的基礎(chǔ)理論，對微流泵內(nèi)部的流動(dòng)特

3、性進(jìn)行了理論分析，給出理論流量及流阻比系數(shù)、泵效率等的表達(dá)式。
　　3.基于壓電基礎(chǔ)理論知識，推導(dǎo)出圓形壓電振子變形量及固有頻率的理論表達(dá)式，同時(shí)利用有限元軟件ANSYS對圓形單晶片壓電振子進(jìn)行振動(dòng)分析及模態(tài)分析，找到影響壓電振子中心處振幅的相關(guān)因素，分析討論了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料參數(shù)對壓電振子中心處振幅的影響。結(jié)果表明:在簡支約束下，基板材質(zhì)選用為銅，在不改變基本尺寸的情況下壓電片與基板半徑比約為0.7，壓電片厚度較薄，激勵(lì)電壓

4、較大時(shí)，可獲得較大的變形量及強(qiáng)度要求。這些結(jié)論為優(yōu)化壓電振子結(jié)構(gòu)提高其性能提供了理論依據(jù)。
　　4.建立擴(kuò)張/收縮流道結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過ANSYS CFD模塊對流道進(jìn)行有限元分析，得出流道內(nèi)壓力與速度分布的影響曲線，分析討論了各尺寸參數(shù)對流阻比系數(shù)的影響并對其進(jìn)行優(yōu)化，盡可能的提高流阻比系數(shù)，同時(shí)降低流動(dòng)阻力。運(yùn)用C語言對壓電振子的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行UDF編程，將其調(diào)入Fluent軟件中，并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，通過間接耦合的方法對優(yōu)化后的