模拟阀中的堆叠式压电执行器

压电阀的开关由位于密封圈之上的堆叠式压电执行器负责控制。当向堆叠式压电执行器施加一个电压时，它会发生膨胀或收缩，并通过这一变形来打开或关闭阀。本篇博客中，我们将介绍 COMSOL Multiphysics 5.1 版本中新增的一个教程模型，它模拟了气动阀中的堆叠式压电执行器。

压电阀和堆叠式执行器

压电阀具有节能、耐用以及响应快等优点，常用于医学和实验室应用中。对于本教程中所介绍的阀，其特点在于打开与关闭由安装在其上的一个含压电执行器的超弹性材料控制。当向堆叠式压电执行器施加一个电压时，执行器将变形，将超弹性材料推向阀处将其关闭，或将材料从阀处推开将其打开。

阀、压电执行器和密封圈。

堆叠式压电执行器包含两个堆叠在彼此之上的执行器。每个执行器都是由交错放置的压电材料和 PZT 层构成，二者之间有极薄的金属导电层。每隔一个金属层设为接地，另一层负责接收施加电压。堆叠式 PZT 层同样有交错的极化方向。

执行器和密封圈的细节图，突出了其中交错放置的 PZT 和金属层。上图显示了具有交替极化方向的 PZT 层。下图显示了金属基底，每隔一层施加一个电压，另一层设为接地。

至于我们所考虑的双晶片执行器，可以看作是两个堆叠在彼此之上的堆叠式执行器。施加正电压时，上部和底部执行器设计将分别发生横向膨胀和收缩造成结构（此例中为圆盘）的弯曲，此时圆盘的中心向下发生拱弯，迫使超弹性密封圈与阀座接触，关闭阀。在下方的表面图中，用颜色比例显示了应力的大小。

含双晶片圆盘式执行器的压电阀中的 von Mises 应力。

模拟阀中的堆叠式压电执行器

COMSOL Multiphysics 5.1 版本新增压电阀教程模型，演示了如何模拟气动阀中的堆叠式压电双晶片圆盘式执行器。仿真中用到了 MEMS 模块和非线性结构材料模块。

阀模型包括一个多层堆叠式压电执行器，执行器本身就是由多个堆叠层和电极构成的复杂结构。模型还包含一个不锈钢基底和一个超弹性材料密封圈，位于阀的通孔之上。

在仿真中，我们在层中施加 50 V 的电压。密封圈内的两个接触压力点确定了接触压力。可以观察到圆盘中心的变形最大，将超弹性密封圈挤向阀的开口处，进而关闭阀。

左：阀密封圈内两个接触表面的应变，我们可以观察到圆盘中部的变形最大，并关闭了阀。右：阀密封圈内两个表面点处的接触压力。

通过模拟压电阀，我们能够分析堆叠式压电执行器的工作，并计算密封圈和周围材料中的应力和应变。我们还可以进一步拓展该分析，向密闭阀施加不同的压力差时评估密封圈的性能。

自己动手操作

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