Název:
Výpočtová analýza elektro-mechanických charakteristik feroelektrického/dielektrického kompozitního materiálu
Překlad názvu:
Computational analysis of the electro-mechanical characteristics of ferroelectric/dielectric composite material
Autoři:
Vítek, Tomáš ; Marcián, Petr (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce) Typ dokumentu: Diplomové práce
Rok:
2023
Jazyk:
cze
Nakladatel: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstrakt: [cze][eng]
Předložená diplomová práce se zabývá výpočtovým modelováním keramických feroelektrických/dielektrických částicových kompozitů. V rešeršní části je vysvětlen princip piezoelektrického jevu, popsány veličiny definující piezoelektrické chování materiálu a uvedena charakteristika běžně používaných piezoelektrických materiálů včetně zmíněných feroelektrických/dielektrických kompozitů. Výpočtová část práce začíná homogenizací částicových kompozitů sestávajících z feroelektrické matrice a dielektrických částic. Otestovány jsou dostupné analytické modely pro stanovení efektivních elektro-mechanických vlastností kompozitu, dále jsou v programu Ansys Mechanical APDL sestaveny parametrické konečnoprvkové modely částicového kompozitu. Je zde popsán algoritmus tvorby těchto modelů a vysvětlen postup výpočtu příslušných efektivních vlastností kompozitu na základě získaných výsledků. Následně jsou výsledky dosažené analytickými a konečnoprvkovými modely porovnány a je posouzena použitelnost zvolených analytických modelů v závislosti na parametrech kompozitu. Poté jsou s využitím sestavených konečnoprvkových modelů provedeny citlivostní analýzy, prostřednictvím kterých vyhodnoceno, jakým způsobem ovlivňují určité geometrické a materiálové parametry efektivní elektro-mechanické vlastnosti kompozitu. Tyto vlastnosti predikované metodou konečných prvků jsou v další části práce konfrontovány s poskytnutými výsledky experimentů. Následuje výpočtová analýza zbytkových napětí zanesených do kompozitu během sintrování, jejímž výstupem jsou doporučení pro výrobu těchto kompozitů, které by měly vést ke snížení zbytkových napětí a tedy i rizika vzniku trhlin. Na závěr jsou navrženy a analyzovány různé designy feroelektrického/dielektrického kompozitu vyrobitelné metodou 3D tisku, prezentované výsledky mají za cíl sloužit jako základ pro budoucí výzkum.
This diploma thesis deals with the computational modeling of ceramic ferroelectric/dielectric particle composites. The literature review section explains the principle of the piezoelectric phenomenon, describes the quantities defining the piezoelectric behaviour of materials, and provides characteristics of commonly used piezoelectric materials, including the mentioned ferroelectric/dielectric composites. The computational part of the thesis begins with the homogenization of particle composites consisting of a ferroelectric matrix and dielectric particles. Available analytical models for determining the effective electromechanical properties of the composite are tested, and parametric finite element models of the particle composite are assembled using Ansys Mechanical APDL software. The algorithm for creating these models is described, and the procedure for computing the relevant effective properties of the composite based on the obtained results is explained. Subsequently, the results obtained from the analytical and finite element models are compared, and the usability of the chosen analytical models is assessed based on the composite parameters. Sensitivity analyses are then performed using the assembled finite element models to evaluate how specific geometric and material parameters affect the effective electromechanical properties of the composite. These properties predicted by the finite element method are compared to the provided experimental results in the next part of the thesis. A computational analysis of residual stresses induced in the composite during sintering follows, and the output of this analysis provides recommendations for the manufacturing of these composites, aiming to reduce residual stresses and, thus, the risk of crack formation. Finally, various designs of ferroelectric/dielectric composites that can be manufactured using 3D printing are proposed and analysed, with the presented results serving as a basis for future research.
Klíčová slova:
Ansys; homogenizace; Keramický kompozit; MKP model; piezoelektricita; Ansys; Ceramic composite; FEM model; homogenization; piezoelectricity
Instituce: Vysoké učení technické v Brně
(web)
Informace o dostupnosti dokumentu:
Plný text je dostupný v Digitální knihovně VUT. Původní záznam: http://hdl.handle.net/11012/213459
host ::
