КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-11-00302

НазваниеМоделирование гидроакустических пьезопреобразователей и пьезогенераторов «зеленой энергии» с активными элементами, выполненными из композитной пьезокерамики

РуководительНаседкин Андрей Викторович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-220 - Математическое моделирование технических систем

Ключевые словамоделирование, связанные задачи, пьезоэлектричество, акустика, композит, пористая пьезокерамика, микроструктура, многомасштабность, компьютерный дизайн, метод конечных элементов, пьезоэлектрические устройства, ультразвуковой преобразователь, акустическая волна, пьезогенератор, накопитель энергии

Код ГРНТИ30.19.15, 27.35.00, 27.41.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Комплексный междисциплинарный проект предполагает разработку прецизионных связанных физико-механических моделей термоакустоэлектроупругости, моделей взаимодействия пьезоэлектрических тел с жидкими средами, инструментария для компьютерного дизайна пьезоэлектрических устройств, выполненных из пьезокомпозитных материалов, и верификацию моделей и численных расчетов путем сравнения с экспериментами, проведенными со специально изготовленными образцами пьезоэлектрических устройств. В проекте будут рассматриваются следующие типы пьезоэлектрических композитных материалов: 1) пористые пьезокерамические материалы; 2) пьезокерамические материалы с более жесткими упругими включениями; 3) пьезокерамические материалы с проводящими включениями; 4) пористые пьезокерамические материалы с модифицированными физико-механическими свойствами на границах пор; 5) трехфазные пьезокерамические материалы с порами и включениями. Как показали исследования, эти материалы обладают экстремальными свойствами, существенно отличными от свойств плотной пьезокерамики. Их отдельные эффективные модули могут значительно превосходить соответствующие модули плотной пьезокерамики, в то время как другие эффективные модули будут меньшими. Эти необычные свойства предполагается использовать для создания моделей новых пьезоэлектрических устройств, работающих на модулях с экстремальными значениями. Основными применениями таких пьезокомпозитных материалов предполагаются гидроакустические преобразователи, ультразвуковые излучатели и пьезогенераторы «зеленой энергии». Основные цели проекта включают следующие задачи. • Разработать новую модель представительного объема двух- и/или трехфазного пьезоэлектрического композита с закрытой случайной структурой включений (пор) и интерфейсных элементов нерегулярных размеров. (Эта новая модель позволит более адекватно представить реальные структуры пористых пьезокомпозитов с закрытой пористостью.) • С учетом эффектов неоднородной поляризации разработать программы для конечно-элементного решения задач гомогенизации пьезокомпозитов в новых представительных объемах и провести расчеты полных наборов эффективных модулей для пьезокомпозитов произвольного класса анизотропии с пьезокерамическими матрицами трех типов (сегнетомягкой, средней сегнетожесткости и сегнетожесткой) при различных процентах включений (пор) и интерфейсных элементов. • Использовать известные и разработать новые факторы качества (figures of merit), позволяющие оценить эффективность использования пьезокомпозитных материалов в сенсорах и актуаторах с учетом применений при движениях в преимущественно продольных, толщинных или поперечных направлениях. Запрограммировать вычисление данных факторов качества при постпроцессорных расчетах эффективных модулей пьезокомпозитов. • Разработать модели связанной термоакустоэлектроупругости (электромеханические поля в одних средах и акустические поля в других средах) и модели акустоэлектроупругости о диссипативном разогреве с учетом механических, электрических и акустических диссипативных факторов. • Реализовать в конечно-элементных программных комплексах технологии комплексного моделирования работы пьезоэлектрических устройств в акустической или жидкой среде с учетом внешних электрических цепей, диссипации, температурных полей и нелинейностей в жидких средах. • Разработать программный инструментарий для проведения комплексного компьютерного дизайна следующих пьезопреобразователей, выполненных из пьезокомпозитных материалов: - сферических радиально-поляризованных пьезоизлучателей со сплошными электродами, в том числе с переходными упругими слоями с понижающими акустическими импедансами; - сферических радиально-поляризованных пьезоизлучателей с разрезными электродами с возможностями сдвига фокального пятна; - дискового преобразователя с тарелкообразными накладками (cymbal transducer); - плоско-вогнутого пьезопребразователя; - цилиндрического кольцевого пьезопреобразователя; - цилиндрического пьезопреобразователя со спиральными электродами; - многослойного пьезогенератора кантилеверного типа; - стекового пьезогенератора. • Разработать макросы для анализа акустических полей вдоль прямолинейного пути и в фокальной зоне. • Создание натурных образов следующих пьезопреобразователей: - сферического радиально-поляризованного пьезоизлучателя со сплошными электродами; - плоско-вогнутого пьезопребразователя; - цилиндрического кольцевого пьезопреобразователя. • Проведение вычислительных и натурных экспериментов, сравнительный анализ вычислительных результатов и экспериментальных данных, уточнение моделей пьезокомпозитных структур и оптимизация конструкций отдельных пьезопреобразователей. Исключительно перспективные практические применения фокусирующих ультразвуковых излучателей, микро- и нано- сенсоров, актуаторов, пьезоустройств накопления энергии, и других пьезоэлектрических устройств, выполненных из новых пьезокомпозитных материалов, определяют актуальность исследований по проекту. Гидроакустические ультразвуковые применения этих новых материалов, особенно в устройствах медицинского фокусирующего ультразвука, обуславливают актуальность и значимость разработок моделей термоакустоэлектроупругости, связанных моделей взаимодействия пьезоэлектрических излучателей с жидкой средой, конечно-элементных технологий расчета пьезоэлектрических устройств, работающих в акустической или жидкой среде с учетом внешних электрических цепей, диссипации, температурных полей и нелинейных эффектов. Все основные результаты, планируемые в рамках настоящего проекта, будут новыми и соответствовать мировому уровню исследований по близким предметным областям, причем по ряду разделов проекта планируемые исследования будут превосходить мировой уровень. Особенно это касается исследований пористых пьезокерамических материалов с металлизированными границами пор и их применений в пьезопреобразователях и акустических применений пористых пьезокерамик в фокусирующих пьезоилучателях и пьезогенераторах. Новыми будут также дополнительные модули для пакета ACELAN-COMPOS для компьютерного дизайна композитных пьезоэлектрических материалов. Компьютерное моделирование и экспериментальные исследования эффективности ультразвуковых преобразователей, cенсоров, актюаторов и пьезоэлектрических генераторов возобновляемой энергии с активными элементами из композитной пьезокерамики будут иметь несомненные практические применения. Эти исследования позволят создавать пьезоэлектрические устройства нового поколения, отличающиеся улучшенными функциональными свойствами и превосходящие многие существующие аналоги по основным параметрам. Результатам проекта планируется придать существенный информационный эффект, пропагандируя, как новые пьезокомпозитные материалы, так и новые модели и программное обеспечение.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будет получены следующие результаты. – Новая модель представительного объема двух- и/или трехфазного пьезоэлектрического композита с закрытой случайной структурой включений (пор) и интерфейсных элементов нерегулярных размеров. – Программы для конечно-элементного решения задач гомогенизации пьезокомпозитов в новых представительных объемах с учетом эффектов неоднородной поляризации. Результаты расчетов полных наборов эффективных модулей для пьезокомпозитов произвольного класса анизотропии с пьезокерамическими матрицами трех типов при различных процентах включений (пор) и интерфейсных элементов. – Анализ известных факторы качества (figures of merit) и новые факторы качества, позволяющие оценить эффективность использования пьезокомпозитных материалов в сенсорах и актуаторах с учетом применений при движениях в преимущественно продольных, толщинных или поперечных направлениях. Программная реализация вычислений данных факторов качества при постпроцессорных расчетах эффективных модулей пьезокомпозитов. – Модели связанной термоакустоэлектроупругости и модели акустоэлектроупругости о диссипативном разогреве с учетом механических, электрических и акустических диссипативных факторов. – Реализованные в конечно-элементных программных комплексах технологии комплексного моделирования работы пьезоэлектрических устройств в акустической или жидкой среде с учетом внешних электрических цепей, диссипации, температурных полей и нелинейностей в жидких средах. – Программный инструментарий для проведения комплексного компьютерного дизайна пьезопреобразователей из пьезокомпозитных материалов, указанных выше. – Макросы для анализа акустических полей вдоль прямолинейного пути и в фокальной зоне, имплантированные в разработанные программы. – Натурные образы следующих пьезопреобразователей: - сферического радиально-поляризованного пьезоизлучателя со сплошными электродами; - плоско-вогнутого пьезопребразователя; - цилиндрического кольцевого пьезопреобразователя. – Результаты вычислительных и натурных экспериментов, сравнительный анализ вычислительных результатов и экспериментальных данных, уточненные модели пьезокомпозитных структур и результаты оптимизации конструкций отдельных пьезопреобразователей. Масштаб заявляемых задач определяется их междисциплинарностью, актуальностью, новизной, научной значимостью и очевидными практическими применениями. Все основные планируемые результаты будут являться новыми, соответствовать мировому уровню, а по большему числу позиций и превосходить мировой уровень. Проведенный комплекс исследований позволит получить базу данных об эффективных модулях пьезокомпозитных материалов с внутренней структурой, включая новые материалы с металлизированными поверхностями пор, и провести анализ моделей новых эффективных устройств нано- и пьезотехники для различных наукоемких и высокотехнологических применений. В результате проведенных исследований возможно будет создавать новые типы пьезоустройств с активными элементами, выполненными из пьезокомпозитных материалов, для замены импортных и отечественных аналогов в аппаратуре медицинского ультразвука, системах неразрушающего контроля и диагностики, устройствах возобновляемой энергии, причем некоторые прототипы таких пьезопреобразователей будут созданы и в рамках настоящего проекта. В ходе выполнения проекта будет опубликовано не менее 18 публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, в том числе в 6 статей в ведущих профильных зарубежных журналах квартиля Q1-Q2, а полученные результаты будут защищены, по крайней мере, 1 свидетельством о регистрации программ и 1 патентом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За первый период выполнения проекта проведены запланированные комплексные исследования пористых пьезоэлектрических композитов и пьезоэлектрических устройств с активными элементами, выполненными из данных материалов. Разработана модель представительного объема и программа для нахождения эффективных констант применительно к пористому пьезокомпозиту с металлизированными границами пор. Новый представительный объем реализован для 3-0 и 3-0-0 пьезокомпозитов с закрытой случайной структурой включений (пор) и возможностями размещения интерфейсных элементов различных размеров. Изучено влияние неравномерного распределения металлизированных пор случайного размера на эффективные модули композита. Разработаны программы для конечно-элементного решения задач гомогенизации пьезокомпозитов с учетом эффектов неоднородной поляризации. Дан анализ зависимостей от пористости эффективных модулей пористых композитов с пьезокерамическими матрицами различной сегнетожесткости. Сравнены эффективные модули обычной пористой пьезокерамики и неоднородно поляризованной пьезокерамики по пяти различным моделям. Показано, что учет неоднородности поля поляризации в большей степени влияет на пьезомодули и в значительно меньшей степени – на модули упругих жесткостей и диэлектрических проницаемостей. Учет неоднородности поляризации пьезокерамики в окрестности пор также по-разному влияет на продольные, трансверсальные и сдвиговые пьезомодули деформаций, заряда и коэффициенты пьезочувствительности, что позволяет ориентировать конкретные пористые пьезокерамические материалы на отдельные применения. Для ряда пористых пьезокерамик проведен анализ известных факторов качества и новых факторов качества, позволяющих оценить эффективность использования пьезокомпозитных материалов в различных применениях. На основе связанного анализа задач пьезоэлектричества и акустики в конечно-элементных программных комплексах были реализованы технологии автоматизированного выбора интерфейсных акустических элементов, граничащих с твердотельной структурой, импедансных границ или поглощающих элементов. Были построены конечно-элементные модели для ряда задач с композитными материалами в пакетах ANSYS, ACELAN и COMSOL Multiphysics, в том числе для задач с композитными материалами со связностью 3–0 и 1–3, а также для решения задач с цилиндрическими преобразователями, нагруженными на акустическую жидкость или вязкоупругую среду. Для рассмотренных задач получены результаты, на основе которых произведена оценка эффективности устройств в зависимости от геометрических параметром и материальных свойств. В результате анализа микроструктуры установлено, что как при закрытой, так и при открытой пористостью до 50 % пористая пьезокерамика имеют структуру, близкую к матричной среде со сплошным коралловидным пьезокерамическим каркасом. Выявлено, что разветвленный жесткий трехмерный каркас пьезокерамики и квазистержневая структура в направлении остаточной поляризации пористой пьезокерамики определяют диэлектрические, пьезоэлектрические и электромеханические свойства пористой пьезокерамики. Установлено, что релаксационный характер временных зависимостей комплексных электромеханических характеристик сегнетомягкой пьезокерамики под действием слабых постоянных электрических полей, меньших коэрцитивного, обусловлен обратимыми переориентациями доменов, приводящими к изменению остаточной поляризации, и процессами экранирования приложенного электрического поля носителями объемного заряда. На основании микроструктурных, электрофизических и ультразвуковых исследований, а также результатов численного моделирования установлены корреляционные связи между микроструктурными особенностями и электрофизическими свойствами керамоматричных композитов (КМК) различных типов. Показано, что разработанные способы получения КМК обеспечивают формирование макро однородных композиционных структур с равномерным распределением пор и/или частиц кристаллического и керамического наполнителя в микропористой пьезокерамической матрице. Возможность генерации высокоинтенсивного ультразвукового поля стоячих цилиндрических волн внутри кольцевого цилиндрического пьезоэлектрического преобразователя, заполненного жидкой или вязкоупругой средой, была продемонстрирована с помощью моделирования методом конечных элементов и экспериментальных исследований. Эксперименты ex vivo на биологических тканях подтверждают возможность пространственной локализации ультразвукового воздействия с помощью цилиндрических стоячих волн. Результаты моделирования, а также разработанные цилиндрические преобразователи могут быть использованы для ультразвуковой обработки поверхностных биологических тканей и тяжелых нефтей и нефтепродуктов. Методами компьютерного моделирования исследован Cymbal–пьезопреобразователь, состоящий из пьезокерамического диска с двумя тарельчатыми металлическими накладками. В качестве активного материала преобразователя была проанализирована как обычная пористая пьезокерамика, так и пористая пьезокерамика с полностью металлизированными поверхностями пор. Проведенный анализ показал эффективность использования материалов пористой пьезокерамики с металлизированными поверхностями пор как для преобразователя, предназначенного для сохранения энергии при механических воздействиях, так и для преобразователя, работающего в режиме генерирования акустических волн при электрических воздействиях. Проведено двухуровневое моделирование пьезоактивных 1-3 композитов с использованием пористой керамики в качестве активного материала. Исследуемый композит состоял из пьезокерамических пористых стержней и изотропной упругой матрицы. Свойства пористой керамики и 1-3 композитов определялись методами гомогенизации в пакете ACELAN-COMPOS на основе различных моделей 3-0 и 1-3 представительных объемов. Были определены собственные частоты и коэффициент электромеханической связи для различных вариантов свойств композита. Установлено, что в задаче о вынужденных колебаниях выходной электрический потенциал увеличивается с ростом пористости. В COMSOL Multiphysics исследован сдвиговый пьезопреобразователь с активным элементом из пористой пьезокерамики в режиме установившихся колебаний при механическом возбуждении. Результаты вычислительных экспериментов позволили получить комбинации параметров устройства, для которых выходной электрический потенциал принимал максимальные значения.

Публикации

1. Наседкин А.В., Наседкина А.А., Нассар М.Э. Конечно-элементный расчет дискового преобразователя с тарелкообразными накладками и активным элементом из пористой пьезокерамики с экстремальной проводимостью поверхностей пор Проблемы прочности и пластичности, - (год публикации - 2023)

2. Рыбянец A.Н., Наседкин А.В., Швецова Н.А., Петрова Е.И., Луговая М.А., Швецов И.А. Керамоматричные пьезокомпозиты: микроструктурные особенности и диэлектрические свойства Известия РАН. Серия физическая, - (год публикации - 2023)

3. Рыбянец A.Н., Швецов И.А., Петрова Е.И., Луговая М.А., Швецова Н.А. Ceramic matrix piezocomposites: method of fabrication and microstructure peculiarities Ferroelectrics, - (год публикации - 2023)

4. Соловьев А.Н., Оганесян П.А., Фоменко Е.И. Investigation of the efficiency of a shear piezoelectric generator using porous piezoceramics Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications. Springer Proceedings in Materials., Vol. 20. Ch. 35. (год публикации - 2023)

5. Швецов И.А., Швецова Н.А., Петрова Е.И., Макарьев Д.И., Рыбянец A.Н. Пьезоэлектрическая релаксация в пьезокерамике в области слабых постоянных электрических полей Известия РАН. Серия физическая, - (год публикации - 2023)

6. Швецова Н.А., Колпачева Н.А., Швецов И.А., Щербинин С.А., Рыбянец A.Н. Spatial and temporal localization of ultrasonic heating effect using cylindrical standing waves Ferroelectrics, - (год публикации - 2023)

7. Швецова Н.А., Швецов И.А., Петрова Е.И., Наседкин А.В., Рыбянец A.Н. Microstructure peculiarities and electromechanical properties of porous piezoceramics Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications. Springer Proceedings in Materials., Vol. 20. Ch. 15. (год публикации - 2023)

8. Москаленко Д.А., Оганесян П.А., Соловьев А.Н., Йех М.-Ю., Янг С.-Д. Interactive editor for finite element modelling in ACELAN-COMPOS package 10th Ann. Int. Conf. on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2021–2022, Divnomorsk, Russia, May 23–27, 2022): Abstracts and Schedule. Rostov-on-Don; Taganrog: SFedU Press, 2022., P. 206-207. (год публикации - 2022)

9. Наседкин А.В. Сравнительный конечно-элементный анализ цилиндрических пьезоизлучателей в акустической среде Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVI Всеросс. школы (пос. Дивноморское, 26 - 31 мая 2022 г.). Ростов-на-Дону, Таганрог: изд-во ЮФУ, 2022., С. 69. (год публикации - 2022)

10. Наседкин А.В., Наседкина А.А. Конечно-элементный расчет дискового преобразователя с тарелкообразными накладками в акустической среде Физическая мезомеханика материалов. Физические принципы формирования многоуровневой структуры и механизмы нелинейного поведения: Тез. докл. Межд. конф., 5-8 сентября 2022 г., Томск, Россия / Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2022., С. 324-325. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25205/978-5-4437-1353-3-329

11. Наседкин А.В., Наседкина А.А., Нассар М.Э., Раджигопал А. Numerical investigation of cymbal transducer from porous piezoceramics with metallized pore surfaces L International Conference "Advanced Problems in Mechanics - 2022", 20-24 June, 2022, St. Petersburg, Russia. APM 2022. Book of Abstracts., P. 55-56. (год публикации - 2022)

12. Наседкин А.В., Нассар М.Э. Анализ факторов качества для пьезопреобразователей, выполненных из пористой пьезокерамики Физическая мезомеханика материалов. Физические принципы формирования многоуровневой структуры и механизмы нелинейного поведения: Тез. докл. Межд. конф., 5-8 сентября 2022 г., Томск, Россия / Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2022., С. 322-323. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25205/978-5-4437-1353-3-195

13. Наседкина А.А. Численный анализ эффективных свойств пьезокерамического материала с металлическими включениями различных размеров с учетом неоднородной поляризации Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVI Всеросс. школы (пос. Дивноморское, 26 - 31 мая 2022 г.). Ростов-на-Дону, Таганрог: изд-во ЮФУ, 2022., С. 70. (год публикации - 2022)

14. Оганесян П.А., Москаленко Д.М. ACELAN-COMPOS package: New features Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2022): Theses of the reports of the second international conference (September 26-30, 2022, Rostov-on-Don). Rostov-on-Don: DSTU, 2022., P. 19. (год публикации - 2022)

15. Оганесян П.А., Фоменко Е.И. Piezoelectric generator based on shear oscillations Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2022): Theses of the reports of the second international conference (September 26-30, 2022, Rostov-on-Don). Rostov-on-Don: DSTU, 2022., P. 18. (год публикации - 2022)

16. Рыбянец A.Н. Пьезоактивные керамоматричные композиты: микроструктурные особенности и электромеханические характеристики Физика сегнетоэластиков: материалы 10(15) Международного семинара; отв. ред. Л.Н. Коротков [Электронный ресурс]. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2022., C. 55-56. (год публикации - 2022)

17. Рыбянец. А.Н. Пьезоактивные керамоматричные композиты: микроструктурные особенности и электромеханические характеристики Сборник тезисов IV семинара «Современные нанотехнологии» (IWMN-2022) (Екатеринбург, 24-27 августа 2022 г.) Екатеринбург, Уральский федеральный университет, 2022., С. 18. (год публикации - 2022)

18. Соловьев А.Н., Бинь Д.Т., Чебаненко В.А., Кииллова Е.В. Applied theory of bending vibrations of a piezomagnetoelectric bimorph in an alternating magnetic field 10th Ann. Int. Conf. on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2021–2022, Divnomorsk, Russia, May 23–27, 2022): Abstracts and Schedule. Rostov-on-Don; Taganrog: SFedU Press, 2022., P. 288-289. (год публикации - 2022)

19. Соловьев А.Н., Юдин А.В., Чебаненко В.А. Numerical study of the propagation of harmonic surface waves generated by two types of piezoelectric actuators 10th Ann. Int. Conf. on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2021–2022, Divnomorsk, Russia, May 23–27, 2022): Abstracts and Schedule. Rostov-on-Don; Taganrog: SFedU Press, 2022., P. 298. (год публикации - 2022)

20. Швецов И.А., Швецова Н.А., Петрова Е.И., Макарьев Д.И., Рыбянец A.Н. Диэлектрическая и пьезоэлектрическая релаксация в пьезокерамике в области слабых постоянных электрических полей Релаксационные явления в твердых телах: материалы XXV Международной конференции; отв. ред. Л.Н. Коротков [Электронный ресурс]. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2022., С. 81-82. (год публикации - 2022)

21. Швецова Н.А., Швецов И.А., Петрова Е.И., Резниченко А.Н., Рыбянец A.Н. Электромеханическая релаксация в пьезокерамике в области слабых постоянных электрических полей Релаксационные явления в твердых телах: материалы XXV Международной конференции; отв. ред. Л.Н. Коротков [Электронный ресурс]. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2022., С. 91-92. (год публикации - 2022)

22. Наседкин А.В., Нассар М.Э.А. Программа для определения полного набора эффективных свойств композита пьезокерамика-металл-поры и создания случайного представительного объема с полыми кубическими металлическими включениями произвольного размера Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, № 2022664891, дата регистрации 05.08.2022. Заявка № 2022663801 от 22.07.2022. (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За отчетный период в соответствие с планом работ были проведены следующие исследования и получены следующие результаты. 1. Разработаны моделей высокопористых пьезокерамических материалов, основанных на канонических ячейках типа Гибсона-Эшби; и проведены расчеты полных наборов эффективных модулей материалов данного типа. В рамках модели ячеек Гибсона-Эшби при изменяемых толщинах ребер ячейки и соответственно при различной итоговой пористости, причем не обязательно высокой. Для определения набора эффективных модулей использовался метод эффективных модулей и конечно-элементный (КЭ) комплекс ANSYS. Исследования были проведены для однородно поляризованного материала, для неоднородно поляризованного материала с неоднородностью только по модулю и с неоднородностью по модулю и по направлению вектора поляризации. Дан анализ зависимостей эффективных модулей при трех указанных выше типах поляризации для одной ячейки и для решеток, составленных из ячеек Гибсона-Эшби. 2. Разработана и реализована структура базы данных для хранения информации о материалах разных классов анизотропии, реализовано web-приложение для доступа к базе данных, поддерживающее разграничение прав пользователей. Предложенная архитектура реализует эффективное хранение данных на основе комбинации реляционной БД и формата хранения на основе JSON. 3. Разработаны модели связанной термоакустоэлектроупругости и модели акустоэлектроупругости о диссипативном разогреве с учетом механических, электрических и акустических диссипативных факторов как при постоянных материальных модулях, так и при модулях, зависящих от температуры. 4. Реализованные в конечно-элементных программных комплексах технологии комплексного моделирования работы пьезоэлектрических устройств в акустической среде с учетом внешних электрических цепей, диссипации и температурных полей, включающая следующие этапы анализа: – определение эффективных модулей пористой пьезокерамики; – определение частот электрических резонансов и антирезонансов, с вычислением коэффициентов электромеханической связи (КЭМС); – построение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) ненагруженного на акустическую среду преобразователя в окрестности рабочих резонансных частот; – построение АЧХ преобразователя с учетом внешней акустической среды в окрестности выбранных рабочих резонансных частот; – исследование поля давления и фокального пятна во внешней акустической среде на резонансной частоте; – решение нестационарной задачи и анализ волн давления для преобразователя с учетом внешней акустической среды; – возможные усложнения задач, связанные с учетом демпфирования в преобразователе и в акустической среде, а также добавление к преобразователю внешней электрической цепи. 5. Результаты исследования пьезопреобразователей, выполненных из плотных и пьезокомпозитных материалов. 5.1. Результаты экспериментальных и компьютерных исследований сферических радиально-поляризованных пьезоизлучателей со сплошными электродами, в том числе с переходными упругими слоями и с пьезоэлементами из пористой пьезокрамики, их сопоставительный анализ. Заключение от том, что пористые фокусирующие элементы обладают низким акустическим сопротивлением, более высокой электромеханической активностью и низкими паразитными колебаниями, что обеспечивает низкий уровень боковых лепестков и высокую акустическую эффективность преобразователей. 5.2. Результаты экспериментальных и компьютерных исследований электромеханических параметров плоско-вогнутого пьезопребразователя. Изготовление натурных образцов плоско-вогнутых пьезокерамических элементов и преобразователей. Анализ результатов конечно-элементных расчетов, позволяющие оценить влияние пористости и моделей неоднородности поляризации на эффективные значения пьезомодулей, коэффициента электромеханической связи КЭМС и на смещения излучающих торцевых поверхностей. Заключение о том, что плоско-вогнутый пьезопреобразователь имеет расширенную полосу пропускания, определяемую перепадом толщин пьезоэлемента, что обеспечивает короткую импульсную характеристику преобразователя и широкополосный решим приема ультразвуковых сигналов. Получены рекордные значения квазистатического пьезомодуля d33 для пьезоэлемента, расположенный вогнутой частью вниз. 5.3. Результаты экспериментальных и компьютерных исследований сдвиговых преобразователей и многослойного пьезогенератора кантилеверного типа в конечно-элементных пакетах COMSOL, ACELAN и FlexPDE. Общее заключение о различно эффективности рассмотренных пьезоэлектрических устройств из пористой пьезокерамики при работе в режимах излучения и приема, при работе в окрестности частот электрических резонансов при генерации колебаний разностью потенциалов и при работе в окрестности частот электрических антирезонансов при генерации колебаний электрическим зарядом или током. 6. Результаты экспериментальных и численных исследований функциональных керамоматричных композитов (КМК) керамика/керамика типа ПКР-78/ЦТС-19 с массовой концентрацией компонентов от 0 до 50%. Проведено исследование микроструктурных особенностей, а также диэлектрических свойств КМК. С использованием моделей представительных объемов двух- и/или трехфазных пьезоэлектрических композитов и методов измерения комплексных констант выполнено исследование свойств КМК в области диэлектрического перколяционного перехода. Заключение о том, что разработанный способ получения КМК обеспечивает формирование однородных на макроскопическом уровне пьезоактивных композиционных структур с равномерным распределением частиц наполнителя в микропористой пьезокерамической матрице без образования промежуточных и примесных кристаллических фаз. 7. Результаты дополнительных исследований по определению эффективных модулей температурной связанности для термоэлектроупругих композитов, в том числе с возможностью учета поверхностных или интерфейсных эффектов по модели Гуртина-Мурдоха для наноструктурированных композитов, а также результаты дополнительных исследований пьезоэлектрического дискового преобразователя с тарелкообразными накладками с учетом внешней упругой среды для применений в качества пьезогенераторов «зеленой» энергии и с учетом внешней акустической среды для актуаторных применений. Результаты дополнительных исследований эффективных констант пористых пьезоэлектрических материалов с учетом особенностей их внутренней структуры и моделей неоднородно поляризации как по направлению, так и по модулю. 8. Подготовленные и принятые к публикации по результатам проведенных исследований 10 статей для изданий, индексируемых в базах данных Web of Science или Scopus, и 1 статьи для издания, индексируемого только в РИНЦ; зарегистрированное свидетельство о регистрации программ. Перевыполнение заявленного показателя в 8 статей в отчетном году на 3 ед. или на 4 ед., если учитывать, что одна статья опубликована в журнале квартиля Q1.

Публикации

1. До Т.Б., Наседкин А., Оганесян П., Соловьев А. Multilevel modeling of 1-3 piezoelectric energy harvester based on porous piezoceramics Journal of Applied and Computational Mechanics, V. 9, No. 3. P. 763-774. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.22055/jacm.2023.42264.3900

2. Константинова М.Г., Абрамов П.А., Швецова Н.А., Швецов И.А., Наседкин А.В., Рыбянец A.Н. Aspect ratio dependence of complex electromechanical parameters of dense and porous piezoceramic elements Ferroelectrics, - (год публикации - 2024)

3. Корниевский А.С., Наседкин А.В. Finite element investigation of mechanical properties of highly porous nanoscale materials composed of regular lattices from Gibson-Ashby cells of variable geometry Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications - Proceedings of the International Conference PHENMA 2023. I.A. Parinov, S.-H. Chang, E.P. Putri (Eds.). Springer Proceedings in Materials, - (год публикации - 2024)

4. Наседкин А.В. Модели и конечно-элементные технологии гомогенизации пьезоэлектрических композитов с экстремальными параметрами контраста составляющих фаз XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. (Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 г.) Сборник тезисов докладов: в 4 т. Т. 3. Санкт-Петербург: Изд-во Политех-Пресс, Т. 3. С. 931-933. (год публикации - 2023)

5. Наседкин А.В. Об определении эффективных температурных коэффициентов связанности поро- и термо- электроупругих композитов с учетом поверхностных эффектов и особенностей микроструктуры Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития: материалы XXX научн. конф. (Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, 13-15 апреля 2023) / Ростов-на-Дону, Таганрог: Изд-во ЮФУ, С. 299-302. (год публикации - 2023)

6. Наседкин А.В., Наседкина А.А., Нассар М.Э. Finite element investigation of disk transducers from porous piezoceramics of complex structure with cymbal end-caps in external medium 2023 Days on Diffraction (DD). Proceedings of the International Conference “Days on Diffraction 2023”, June 5-9, 2023, St. Petersburg, Russia. IEEE Publ., P. 156-161. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/DD58728.2023.10325699

7. Наседкин А.В., Наседкина А.А., Толмачева Я.В. Компьютерная гомогенизация пористых пьезокерамик различной сегнетожесткости при случайной структуре пористости и неоднородности поля поляризации Вычислительная механика сплошных сред, Т. 16, № 4. С. 476-492 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.4.40

8. Наседкин А.В., Турлюн А.С. Конечно-элементный анализ пьезогенераторов 1-3 связности со стержнями из пористой пьезокерамики в пакете ANSYS Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов. Труды XI Межд. междисципл. молодеж. симпозиума (Ростов-на-Дону, 26–28 декабря 2022 г.). Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, Т.2. С. 173-176. (год публикации - 2023)

9. Нассар М.Э., Наседкин А.В. Identification of the effective properties of PZT-Ni and PZT-Air composites considering a non-uniform partly polarized field Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications - Proceedings of the International Conference PHENMA 2023. I.A. Parinov, S.-H. Chang, E.P. Putri (Eds.). Springer Proceedings in Materials, - (год публикации - 2024)

10. Нассар М.Э., Саид Н., Наседкин А. Determination of effective properties of porous piezoelectric composite with partially randomly metalized pore boundaries using finite element method Applied Mathematical Modelling, V. 124. P. 241-256. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.apm.2023.07.025

11. Петрова Е.И., Швецов И.А., Швецова Н.А., Абрамов П.А., Константинова М.Г., Рыбянец А.Н. Ultrasonic methods for study of relaxation phenomena in dissipative media Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов. Труды XI Межд. междисципл. молодеж. симпозиума (Ростов-на-Дону, 26–28 декабря 2022 г.). Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, Т. 2. С. 120-122. (год публикации - 2023)

12. Соловьев А.Н., Рыбянец А.Н., Оганесян П.А., Германчук М.С., Фоменко Е.И. Высокочастотный разогрев биологических тканей цилиндрическим пьезоэлементом Инновационные направления интеграции науки, образования и производства. Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции. (Феодосия, 10–14 мая 2023 г.) Керчь, Керченский государственный морской технологический университет, С. 59-62. (год публикации - 2023)

13. Соловьев А.Н., Чебаненко В.А., Оганесян П.А., Фоменко Е.И. Об одном методе расчета изгибных и сдвиговых колебаний пористого пьезоэлемента в низкочастотной области Advanced Engineering Research, - (год публикации - 2024)

14. Швецов И.А., Швецова Н.А., Петрова Е.И., Макарьев Д.И., Рыбянец A.Н. Processes and ferroelectric hysteresis in porous PZT type piezoceramics Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications - Proceedings of the International Conference PHENMA 2023. I.A. Parinov, S.-H. Chang, E.P. Putri (Eds.). Springer Proceedings in Materials, - (год публикации - 2024)

15. Швецова Н.А., Швецов И.А., Петрова Е.И., Макарьев Д.И., Мараховский М.А., Рыбянец A.Н. Complex electromechanical parameters and microstructure peculiarities of PZT-type porous piezoceramics Ferroelectrics, - (год публикации - 2024)

16. Швецова Н.А., Швецов И.А., Петрова Е.И., Макарьев Д.И., Мараховский М.А., Рыбянец А.Н. Комплексные электромеханические параметры и особенности микроструктуры пористой пьезокерамики системы ЦТС Известия РАН. Серия физическая. (Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics), - (год публикации - 2024)

17. Абрамов П.А., Константинова М.Г., Швецова Н.А., Швецов И.А., Петрова Е.И., Рыбянец A.Н. Aspect ratio dependence of complex electromechanical parameters of dense and porous piezoceramic elements 2023 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2023): Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023). Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, P. 36-37. (год публикации - 2023)

18. Волков А.И. Численный анализ свойств пьезоэлектрических пен, моделируемых ячейками Гибсона-Эшби XIX Ежегодной молодежной научн. конф. «Достижения и перспективы научных исследований молодых ученых Юга России»: тез. докл. (г. Ростов-на-Дону, 17–28 апреля 2023 г.). Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, С. 253. (год публикации - 2023)

19. Константинова М.Г., Абрамов П.А., Швецова Н.А., Рыбянец A.Н. Microstructure, complex electromechanical parameters and dispersion in porous piezoceramics 2023 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2023): Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023). Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, P. 165. (год публикации - 2023)

20. Константинова М.Г., Абрамов П.А., Швецова Н.А., Швецов И.А., Петрова Е.И., Рыбянец А.Н. Зависимость комплексных электромеханических параметров плотных и пористых пьезокерамических элементов от соотношения размеров Сборник тезисов XXIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XXIII) (Тверь, 3-6 октября 2023 г.) Тверь, Тверской государственный университет, С. 199. (год публикации - 2023)

21. Корниевский А.С., Наседкин А.В. Finite element investigation of mechanical properties of highly porous nanoscale materials with different geometry structures of Gibson-Ashby cells 2023 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2023): Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023). Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, P. 166. (год публикации - 2023)

22. Наседкин А.В. On the general methodology of finite element analysis for piezoelectric generators and ultrasonic transducers made of porous ceramics Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2023): Theses of the reports of the Third International Conference (November 27-30, 2023, Rostov-on-Don). Rostov-on-Don: DSTU, P. 19. (год публикации - 2023)

23. Наседкин А.В. About efficiency of piezoelectric transducers from porous piezoceramics when operating at electrical resonance and antiresonance frequencies Int. Conf. Days on Diffraction 2023. June 5 – 9, 2023, St. Petersburg, Russia. Abstracts. St. Petersburg, PDMI, P. 109-110. (год публикации - 2023)

24. Наседкин А.В. About determination of effective coupled temperature coefficients of nanostructured pyropiezoelectric composites by effective moduli and finite element methods Materials Science and Nanotechnology (MSN-2023). Abstract Book of International Conference (Ekaterinburg, August 27-30, 2023) Ekaterinburg, Ural Federal University, P. 43. (год публикации - 2023)

25. Наседкин А.В. О конечно-элементном анализе эффективности ультразвуковых преобразователей из композитной пьезокерамики с учетом внешней акустической среды Современные проблемы механики сплошной среды: тезисы докладов XXI Межд. конф., г. Ростов-на-Дону, 11-13 октября 2023. Ростов-на-Дону: изд-во ЮФУ, С. 82. (год публикации - 2023)

26. Наседкин А.В. О работе пьезоэлектрических устройств из пористой пьезокерамики на частотах электрических резонансов и антирезонансов при различных электрических воздействиях Сборник тезисов XXIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XXIII) (Тверь, 3-6 октября 2023 г.) Тверь, Тверской государственный университет, С. 254. (год публикации - 2023)

27. Наседкин А.В. Об определении эффективных температурных коэффициентов связанности наноструктурированных термоэлектроупругих композитов по методам эффективных модулей и конечных элементов Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всеросс. школы (пос. Дивноморское, 28 мая - 1 июня 2023 г.). Ростов-на-Дону, Таганрог: изд-во ЮФУ, С. 72. (год публикации - 2023)

28. Наседкин А.В., Волков А.И., Корниевский А.С. Конечно-элементный анализ пьезокерамических метаматериалов с ячейкой периодичности Гибсона-Эшби при упрощенном способе учета неоднородности поля поляризации Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всеросс. школы (пос. Дивноморское, 28 мая - 1 июня 2023 г.). Ростов-на-Дону, Таганрог: изд-во ЮФУ, С. 73. (год публикации - 2023)

29. Наседкин А.В., Наседкина А.А. Сравнительный компьютерный анализ тарелкообразных преобразователей с активными элементами из пористой пьезокерамики при различных моделях поляризации Сборник тезисов XXIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XXIII) (Тверь, 3-6 октября 2023 г.) Тверь, Тверской государственный университет, С. 255. (год публикации - 2023)

30. Наседкин А.В., Наседкина А.А., Нассар М.Э. Finite element investigation of disk transducers from porous piezoceramics of complex structure with cymbal end-caps in external medium Int. Conf. Days on Diffraction 2023. June 5 – 9, 2023, St. Petersburg, Russia. Abstracts. St. Petersburg, PDMI, P. 110-111. (год публикации - 2023)

31. Наседкин А.В., Наседкина А.А., Раджагопал A. About technique for solving coupled problems of piezoelectricity and acoustics on dissipative heating in the ANSYS finite element package Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2023): Theses of the reports of the Third International Conference (November 27-30, 2023, Rostov-on-Don). Rostov-on-Don: DSTU, P. 20. (год публикации - 2023)

32. Наседкин А.В., Наседкина А.А., Рыбянец A.Н. Numerical analysis of plano-concave circular transducer made of porous non-uniformly polarized piezoceramics Materials Science and Nanotechnology (MSN-2023). Abstract Book of International Conference (Ekaterinburg, August 27-30, 2023) Ekaterinburg, Ural Federal University, P. 109. (год публикации - 2023)

33. Наседкин А.В., Толмачева Я.В. Анализ эффективных свойств керамоматричных пьезокомпозитов типа керамика/керамика при различных упрощенных моделях учета неоднородности поля поляризации Современные проблемы механики сплошной среды: тезисы докладов XXI Межд. конф., г. Ростов-на-Дону, 11-13 октября 2023. Ростов-на-Дону: изд-во ЮФУ, С. 83. (год публикации - 2023)

34. Наседкина А.А. Метод эффективных модулей в антиплоской задаче для пьезоэлектрического двухслойного композита и анализ предельных вариантов электромеханических свойств включений Современные проблемы механики сплошной среды: тезисы докладов XXI Межд. конф., г. Ростов-на-Дону, 11-13 октября 2023. Ростов-на-Дону: изд-во ЮФУ, 2023, С. 84. (год публикации - 2023)

35. Наседкина А.А., Нассар М.Э. Анализ тарелкообразных излучателей из пористой пьезокерамики в режимах приема и излучения Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всеросс. школы (пос. Дивноморское, 28 мая - 1 июня 2023 г.). Ростов-на-Дону, Таганрог: изд-во ЮФУ, С. 74. (год публикации - 2023)

36. Нассар М.Э., Наседкин А.В Investigating the equivalent properties of a porous piezocomposite with metalized pores' boundaries using a random representative volume considering heterogeneous polarization 2023 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2023): Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023). Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, P. 209. (год публикации - 2023)

37. Оганесян П.А., Соловьев А.Н., Таилова Н.Г., Фоменко Е.И. Web-приложение для работы с базой данных композитных материалов Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития: материалы XXX научн. конф. (Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, 13-15 апреля 2023) / Ростов-на-Дону, Таганрог: Изд-во ЮФУ, С. 320-321. (год публикации - 2023)

38. Соловьев А.Н., Оганесян П.А., Фоменко Е.И. Использование пористой пьезокерамики для многослойного сдвигового пьезоэлемента Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всеросс. школы (пос. Дивноморское, 28 мая - 1 июня 2023 г.). Ростов-на-Дону, Таганрог: изд-во ЮФУ, С. 104. (год публикации - 2023)

39. Соловьев А.Н., Чебаненко В.А., Оганесян П.А., Фоменко Е.И. Прикладная теория расчета низкочастотных колебаний сдвигового пьезоэлемента Современные проблемы механики сплошной среды: тезисы докладов XXI Межд. конф., г. Ростов-на-Дону, 11-13 октября 2023. Ростов-на-Дону: изд-во ЮФУ, С. 108. (год публикации - 2023)

40. Соловьев А.Н., Чебаненко В.А., Оганесян П.А., Фоменко Е.И. Applied theory of bending-shear vibrations of porous piezoelectric plate XXXIV Крымская Осенняя Математическая Школа-симпозиум Н.Д. Копачевского по спектральным и эволюционным задачам. КРОМШ-2023. Сборник материалов международной конференции. (Кача (Севастополь), 08–17 сентября 2023 г.) Симферополь, С. 89. (год публикации - 2023)

41. Соловьев А.Н., Чебаненко В.А., Оганесян П.А., Фоменко Е.И. Finite element modeling of energy harvesting using shear porous multilayer piezoelements Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2023): Theses of the reports of the Third International Conference (November 27-30, 2023, Rostov-on-Don). Rostov-on-Don: DSTU, P. 30. (год публикации - 2023)

42. Швецова Н.А., Швецов И.А., Петрова Е.И., Макарев Д.И., Рыбянец А.Н. Комплексные электромеханические параметры и особенности микроструктуры пористой пьезокерамики системы ЦТС Сборник тезисов XXIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XXIII) (Тверь, 3-6 октября 2023 г.) Тверь, Тверской государственный университет, С. 219. (год публикации - 2023)

43. Швецова Н.А., Швецов И.А., Петрова Е.И., Макарьев Д.И., Рыбянец A.Н. Complex electromechanical parameters and microstructure peculiarities of PZT-type porous piezoceramics Materials Science and Nanotechnology (MSN-2023). Abstract Book of International Conference (Ekaterinburg, August 27-30, 2023) Ekaterinburg, Ural Federal University, P. 168. (год публикации - 2023)

44. Волков А.И., Корниевский А.С., Наседкин А.В. Программа для определения полного набора эффективных свойств пьезоэлектрического композита с ячейкой периодичности Гибсона-Эшби при варьируемой пористости и учете неоднородности поля поляризации по направлению и по модулю -, № 2023685682, дата регистрации 29.11.2023. Заявка № 2023684443 от 17.11.2023. [https://www.fips.ru/ofpstorage/Doc/PrEVM/RUNWPR/000/002/023/685/682/2023685682-00001/document.pdf] (год публикации - )