Слайд 1 - НИИ ПМТ

ФГБНУ «НИИ ПМТ»
Разработка линейки прецизионных
пьезоэлектрических микронасосов точного
дозирования с низким энергопотреблением для
перекачки медицинских жидкостей малого
объема
(шифр заявки "2014-14-585-0008-006")
Отчёт по этапу 2
Руководитель темы: в.н.с., к.т.н. Виноградов А.Н.
Москва, 2015 год
1
Соглашение № 14.583.21.0002 о предоставление субсидии от 16.07.2014 г.
Тема проекта: "Разработка линейки прецизионных пьезоэлектрических
микронасосов точного дозирования с низким энергопотреблением для перекачки
медицинских жидкостей малого объема" (шифр заявки "2014-14-585-0008-006")
Получатель субсидии: "Научно-исследовательский институт перспективных
материалов и технологий" (ФГБНУ "НИИ ПМТ").
Иностранный партнер: "Институт технологии Харбинского политехнического
института (г. Харбин, Китайская Народная Республика)".
Объем средств субсидии: 29 500 000 руб., в том числе
- в 2014 году - 12 000 000 руб.
- в 2015 году - 10 000 000 руб.
- в 2016 году - 7 500 000 руб.
Объем привлекаемых внебюджетных средств: 30 274 554 руб., в том числе
- в 2014 году - 12 500 000 руб.
- в 2015 году - 10 200 000 руб.
- в 2016 году - 7 574 554 руб.
2
Работы, проведенные в отчетном периоде
1. Составлен аналитический обзор информационных источников за 2014 годы, в которых
исследовались модели и конструкции микронасосов с пьезоэлектрическим приводом и
построенные на других физических принципах.
2. Разработана методика моделирования НДС элементов пьезонасосов
перистальтического типа.
3. Проведены численные эксперименты на двумерной модели перистальтического
насоса.
4. На основании проведённого моделирования проведён выбор основных параметров
оптимизации элементов пьезонасоса.
5. Разработана двумерная модель формирования бегущей волны в пьезонасосе
многослойной структуры.
6. Проведена оценка влияния характеристик элементов и возбуждения пьезонасоса на
его производительность и точность.
7. Разработана методика испытаний комплектующих элементов физических моделей
пьезонасоса. Составлены и опробованы новые методики испытаний материалов для
физических моделей пьезонасосов.
8. Проведён предварительный анализ моделирования прецизионных пьезоэлектрических
перистальтических микронасосов. Приведена оценка влияния свойств элементов
конструкции и характеристик возбуждения на основные параметры пьезоэлектрических
микронасосов и точность дозирования.
3
Результаты литературного обзора
Основными техническими характеристиками микронасосов являются
производительность, максимальное обратное давление, габариты,
энергопотребление.
В ходе обзора установлено, что из всех известных схем микронасосов самым
широким диапазоном производительности (0,015 … 90,28 мл/мин/мм2) и обратных
давлений обладают микронасосы с пьезоэлектрическим приводом.
4
Методика моделирования НДС элементов
пьезонасосов перистальтического типа.
Рассматривается двумерная квазистатическая модель
многослойной структуры с продольными участками
переменной жёсткости.

z
b
а)
1
w3
2
0
x
x3
l1
б)
L
l2
l3
l4
O
Напряжения U
O
l5
Расчётная схема двумерной модели (а) и знаки напряжений (б)
5
Результаты моделирования
Задача состоит в определении для каждого j-го участка механических
напряжений i в произвольном i-м слое и кинематических параметров, таких как,
прогиб wj, угол наклона касательной (он же угол поворота нормали) j, кривизна j.
i(z)= Yi(C1 – C2z – i).
Напряжение в i-м слое
Постоянные C1 и C2 находим из
уравнений равновесия участка:
C1A11 + C2A12 = B1;
C1A21 + C2A22 = B2
Коэффициенты определяются следующими выражениями:
n
A11   Gi ;
i 1
n
B1   Gi i ;
i 1
n
A12    Gi z ci ;
i 1
n
n
A21   Gi zci ;
i 1
n
G
A22    i ( zi2  zi21  zi zi 1 );
3
i 1
B2   Gi zci i .
i 1
Прогиб определяется функцией
Угол наклона касательной к кривой прогиба
w(x) = w0 + 0,5C2x2
(x) = 0 +C2x
6
Проведение численных экспериментов на
разработанной двумерной модели пьезонасоса
Выводы из экспериментов:
При выборе оптимальной толщины и жёсткости подложки по целевой функции
максимального прогиба модели в зависимости от размеров пьезоэлементов и их
расположения с различной скважностью установлено, что наилучшие результаты
показали тонкие подложки из материалов с высоким модулем упругости.
Найденные оптимальные толщины не зависят от величины зазоров в
расположении пьезоэлементов. Уменьшение скважности (с уменьшением длины
пьезоэлементов) приводит к снижению абсолютной величины максимального
прогиба и рабочего объёма камеры пьезонасоса.
7
Разработка двумерной модели формирования бегущей волны
напряженно-деформированного состояния многослойной
структуры элементов микронасоса
Схема пьезонасоса
Уравнение бегущей волны
 2x

z  a sin ( )  t 
 

8
Разработка двумерной модели формирования бегущей волны
напряженно-деформированного состояния многослойной
структуры элементов микронасоса
Стоячая волна z1
Стоячая волна z2
Бегущая волна z
Распространение бегущей волны
Принцип работы перистальтического пьезонасоса
9
Оценка влияния свойств конструктивных элементов и
параметров возбуждения на производительность
микронасоса и точность его дозирования
Под перистальтическим микропьезонасосом понимается система тонких пластин с расположенными на
них пьезоэлементами (приводов), периодически пережимающими эластичную трубку с рабочим телом
(жидкостью или газом), что позволяет осуществлять перенос газа или жидкости через конструкцию насоса от
входного отверстия к выходному.
1.Основные функциональные свойства микронасоса (производительность и обратное давление)
определяются, в первую очередь, физико-механическими свойствами материалов пьезопривода – модулем
Юнга и коэффициентом Пуассона упругих слоев, а также пьезомодулем активных слоев пьезокерамики.
Во вторую очередь определяются характеристиками элементов уплотнения и вспомогательных
материалов изолирующих слоёв и токоподводов.
Важную роль играет точность изготовления элементов микронасоса.
2.Непрерывность и точность потока прокачиваемой жидкости обеспечивается
временной
стабильностью амплитудно-частотных характеристик источника питания. Определено, что наиболее
важными параметрами возбуждения, определяющими производительность микронасоса, являются
амплитуда и частота колебаний, форма сигнала, соотношение фаз питающего напряжения, скважность
управляющих импульсов.
10
Разработка части методик (50%) испытаний комплектующих
элементов физических моделей – прочностные испытания
Составлены и опробованы новые методики испытаний материалов для
физических моделей пьезонасосов.
Методика прочностных испытаний позволяет уточнить конкретные
параметры
свойств
материалов
подложек,
пьезоэлементов
и
соединительных слоёв при растяжении, сжатии и изгибе.
Полученные данные используются для уточнения расчётных моделей
и позволяют более строго проводить оптимизацию физических моделей
с минимальными затратами на изготовление пробных образцов.
Методика испытаний на микротвердомере позволяет оценить степень
однородности структуры слоёв и определить упругие и пластические
свойства используемых тонкоплёночных материалов в микрообъёмах.
11
Разработка части методик (50%) испытаний комплектующих
элементов физических моделей – прочностные испытания
Ультрамикротвердомер DUH-211S фирмы SHIMADZU
12
Анализ предварительных результатов моделирования элементов
пьезонасоса
Моделирование основных элементов пьезонасоса – насосных многослойных
камер проводилось по разработанным методикам с привлечением
коммерческих программных продуктов МатЛаб, APM WinMachine и
собственных программ.
Основные полученные результаты и оценка их значимости сводятся к
следующему:
- разработанная новая методика моделирования НДС элементов ПН
позволяет проводить расчёты деформаций, прогибов, механических
напряжений и установить оптимальные соотношения параметров для
различных схемных решений разрабатываемых конструкций;
- в проведённых численных экспериментах установлены оптимальные
соотношения толщин элементов и выбраны материалы для их
изготовления;
- двумерное моделирование камер ПН показало, что наилучшие
результаты по пьезоэлектрическому деформированию дают тонкие
подложки с высокими упругими характеристиками;
- найденные оптимальные толщины не зависят от величины зазоров в
расположении пьезоэлементов на полосе подложки
13
Поддержка проекта китайским партнёром
Проведён выбор процессов изготовления
комплектующих элементов.
Разработана методика испытаний комплектующих
элементов физических моделей.
Привлечено на выполнение проекта 5.232 млн. руб.
14
Достигнутые индикаторы:
1. Подана заявка на регистрацию программы для ЭВМ «Моделирование пакетного
пьезоактюатора».
2. Сделан доклад на Российско-китайском форуме высоких технологий, Москва, 09
июня 2015 года.
3. Опубликован доклад «Оптимизация параметров камер перистальтических
пьезонасосов», Материалы научно-технической конференции студентов, аспирантов
и молодых специалистов НИУ ВШЭ, Москва, 03.02.2015 г.
4. Получен диплом за лучшую работу, представленную на научно-технической
конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ, Москва,
03.02.2015 г.
5 . Китайским партнёром привлечено на выполнение проекта 5.232 млн. руб.
Поддержка проекта китайским партнёром:
За отчетный период иностранным партнером за счет собственных средств:
- проведён выбор процессов изготовления комплектующих элементов;
- разработана методика испытаний комплектующих элементов физических моделей.
15
Заключение
В заключении констатируем, что работы по Этапу 2 выполнены в
полном соответствии с календарным планом.
Проведённые на втором этапе работы показали правильность
выбранного направления исследований.
Считаем целесообразным продолжение исследований по
утверждённому плану-графику.
16
Спасибо за внимание!
17