Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Correia, Diogo Pereira
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/88842
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Manufatura Avançada)
id RCAP_6ac70fe63fad8fce59b60c95324e4cf9
oai_identifier_str oai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/88842
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHzEfeito piezoelétricoSimulação numéricaTransdutores piezoelétricosValidação experimentalExperimental validationNumerical simulationPiezoelectric effectPiezoelectric transducersEngenharia e Tecnologia::Engenharia MecânicaDissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Manufatura Avançada)O efeito piezoelétrico indireto rege o funcionamento da maioria dos transdutores piezoelétricos, este efeito ocorre quando o material é submetido a um campo elétrico externo, resultando em mudanças geométricas nos discos piezocerâmicos. É esta característica que permite criar movimentos vibratórios na gama das frequências ultrassónicas, ou seja, superiores a 20 KHz. Esta dissertação teve por base a simulação numérica e estudo multifísico das propriedades térmicas e mecânicas de um transdutor piezoelétrico, utilizando o software COMSOL Multiphysics®, e posterior validação experimental baseada na caracterização da impedância elétrica do transdutor, com recurso ao TRZ® Analyzer, com o objetivo de desenvolver um modelo numérico capaz de prever o comportamento real do transdutor em diversas situações. Para melhor entender o conteúdo do trabalho, primeiramente foi introduzido o tema dos transdutores piezoelétricoss e as suas aplicações, assim como uma explicação do efeito piezoelétrico e das constantes teóricas mais importantes. Além desta introdução, o conteúdo do trabalho foi dividido em duas partes principais, a componente da simulação numérica e a componente da validação experimental. Em ambas as partes pretenderam-se avaliar as curvas de impedância elétrica e a evolução da temperatura durante o funcionamento do transdutor, com diferentes tensões elétricas fornecidas, e diferentes pré tensões aplicadas ao parafuso de aperto. A aplicação de uma pré tensão diferente foi apenas analisada numericamente, já que não pôde ser alterada na componente experimental, pois danificaria o transdutor em uso. Pela análise dos resultados experimentais obtidos percebeu-se que, quanto maior é a tensão elétrica fornecida, mais alta é a temperatura atingida pelo transdutor. No entanto, os resultados experimentais vão contra os resultados numéricos. Nas simulações onde a pré tensão é aplicada, a curva de temperatura no ensaio a 1000 V apresenta menor temperatura do que quando 500 V são fornecidos, não indo de acordo com os resultados esperados. Em relação à curva de impedância elétrica, nota-se uma diminuição da performance do transdutor com o aumento da temperatura, como seria de esperar, já que existem mais perdas de energia.The indirect piezoelectric effect governs the operation of most piezoelectric transducers, this effect occurs when the material is subjected to an external electric field, resulting in geometric changes in the piezoceramic disks. It is this characteristic that allows the creation of vibratory movements in the range of ultrasonic frequencies, that is, greater than 20 KHz. This dissertation was based on the numerical simulation and multiphysics study of the thermal and mechanical properties of a piezoelectric transducer, using the COMSOL Multiphysics® software, and subsequent experimental validation based on the characterization of the transducer's electrical impedance, using the TRZ® Analyzer, with the objective of developing a numerical model capable of predicting the real behavior of the transducer in different situations. To better understand the content of the work, the topic of piezoelectric transducers and their applications was first introduced, as well as an explanation of the piezoelectric effect and the most important theoretical constants. In addition to this introduction, the content of the work was divided into two main parts, the numerical simulation component, and the experimental validation component. In both parts, the intention was to evaluate the electrical impedance curves and the temperature evolution during the operation of the transducer, with different electrical voltages supplied, and different pre-tensions applied to the tightening screw. The application of a different pretension was only analyzed numerically, since it could not be changed in the experimental component, as it would damage the transducer in use. By analyzing the experimental results obtained, it was noticed that the higher the electrical voltage supplied, the higher the temperature reached by the transducer. However, the experimental results are against the numerical results. In simulations where pre-voltage is applied, the temperature curve in the test at 1000 V presents a lower temperature than when 500 V are supplied, not going according to the expected results. Regarding the electrical impedance curve, a decrease in transducer performance is observed with increasing temperature, as expected, since there are more energy losses.Puga, HélderUniversidade do MinhoCorreia, Diogo Pereira2023-07-312023-07-31T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/88842por203524950info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-02-24T01:24:19Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/88842Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T03:11:04.634427Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz
title Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz
spellingShingle Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz
Correia, Diogo Pereira
Efeito piezoelétrico
Simulação numérica
Transdutores piezoelétricos
Validação experimental
Experimental validation
Numerical simulation
Piezoelectric effect
Piezoelectric transducers
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica
title_short Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz
title_full Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz
title_fullStr Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz
title_full_unstemmed Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz
title_sort Simulação e validação experimental do comportamento termomecânico de um transdutor piezoelétrico de 20 kHz
author Correia, Diogo Pereira
author_facet Correia, Diogo Pereira
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Puga, Hélder
Universidade do Minho
dc.contributor.author.fl_str_mv Correia, Diogo Pereira
dc.subject.por.fl_str_mv Efeito piezoelétrico
Simulação numérica
Transdutores piezoelétricos
Validação experimental
Experimental validation
Numerical simulation
Piezoelectric effect
Piezoelectric transducers
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica
topic Efeito piezoelétrico
Simulação numérica
Transdutores piezoelétricos
Validação experimental
Experimental validation
Numerical simulation
Piezoelectric effect
Piezoelectric transducers
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica
description Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Manufatura Avançada)
publishDate 2023
dc.date.none.fl_str_mv 2023-07-31
2023-07-31T00:00:00Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1822/88842
url https://hdl.handle.net/1822/88842
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.none.fl_str_mv 203524950
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799137760751124480

Registros relacionados