박막형 압전재료 3203HD의 재료 비선형성을 고려한 바이모프 보 작동기의 비선형 유한 요소해석

Abstract

본 논문에서는 고 전압, 고 응력 하에 있는 압전 재료의 재료 비선형 거동을 실험적으로 밝히고, 수치적으로 모사하였다. 응력 하에서, 압전 재료의 비선형 거동을 표현 할 수 있는 실험식을 압전 변형율에서 만들어 내었다. 그 식은 재료 비선형 해석을 위하여, 증분 형태의 유한요소 식에 적용되었다. 압전 상수에 대한 새로운 정의와 증분 형태로 표현된 압전 변형율이 보다 나은 비선형 거동의 복원을 위하여 유한 요소 정식화과정에 적용되었다. 이것으로, 높은 전기장 영역에서도, 박판형 압전 재료의 비선형 거동을 정확하게 복원하였다. 일련의 수행된 실험과 연구 과정의 검증을 위하여, 압전재료 바이모프 보 작동기가 수치적으로와 실험적으로 사용되었다. 재료 비선형 유한요소해석으로 예측된 변위와 실험으로 구해진 변위가 잘 일치함을 확인하였다. In this paper, material non-linear behavior of PZT wafer(3203HD, CTS) under high electric field and stress is experimentally investigated and the non-linearity of the PZT wafer is numerically simulated. Empirical functions that can represent the non-linear behavior of the PZT wafer have been extracted based on the measured piezo-strain under stress. The functions are implemented in an incremental finite element formulation for material non-linear analysis. New definition of the piezoelectric constant and the incremental strain are incorporated into the finite element formulation for a better reproduction of the non-linear behavior. With the new definition of the in incremental piero-strain the measured non-linear behavior of the PZT wafer has been accurately reproduced even for high electric field. For validation of the measured non-linear characteristics and the proposed approach, a PZT bimorph beam actuator has been numerically and experimentally tested. The predicted actuation displacement, based on the material nonlinear finite element analysis, showed a good agreement with the measured one.