ANSYS压电分析

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用ANSYS软件分析压电陶瓷的振动状态

用ANSYS软件分析压电陶瓷的振动状态

第30卷第1期2008年3月湖北大学学报(自然科学版)Journal of Hubei University (Natural Science )Vol.30 No.1 Mar.,2008 收稿日期:2006206202作者简介:雷辉(19812 ),男,硕士生文章编号:100022375(2008)0120029205用ANSYS 软件分析压电陶瓷的振动状态雷辉,周双娥(湖北大学数学与计算机学院,湖北武汉430062)摘 要:近年来,压电陶瓷的应用日趋广泛.但是由于压电陶瓷片的边界条件和应力状况比较复杂,利用传统实验手段对其研究不仅耗时费力,而且其结果具有很强的局部性,因此利用大型通用仿真软件ANSYS 8.0来进行计算机仿真.通过对压电陶瓷片中的耦合效应进行计算机模拟分析,得出压电陶瓷的振动状态图.实验结果表明ANSYS 8.0在处理压电耦合场这方面有很强的处理能力,大大简化了建模和计算,强大的后处理功能更是让研究者能够很直观地获得数据结果和模拟图像. 关键词:仿真;压电陶瓷;振动状态 中图分类号:TP302 文献标志码:A1 引言计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础,以计算机及其相应构件为工具,通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术[1].近年来,压电陶瓷的应用日趋广泛,而在实际应用中,特别是将压电陶瓷技术应用于混凝土结构的监测中,由于压电陶瓷片的边界条件和应力状况比较复杂,利用传统实验手段对其研究不仅耗时费力,而且其结果具有很强的局部性[2].因此利用计算机仿真技术对压电陶瓷进行研究具有较好的理论与实际意义.本文中利用大型通用有限元分析软件ANS YS 8.0,对压电陶瓷片中的耦合效应进行模拟分析,并得出其模态和谐振态,实验表明ANS YS 8.0能很好地解决压电陶瓷片的压电耦合问题.图1 处理器模型2 ANSYS 仿真原理ANS YS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANS YS 开发,它能与多数CAD 软件接口,实现数据的共享和交换.20世纪90年代该软件开始在我国的机械制造、航空航天、汽车交通、铁道、石油化工、能源等领域得到应用,为各领域中产品设计、科学研究作出了很大的贡献[3].ANS YS 软件使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据和求解结果(见图1)[4].模型数据(包括实体模型和有限元模型、材料等)通过前处理器写入数据库;载荷和求解结果通过求解器写入数据库;后处理结果通过后处理器写入数据库.3 处理过程3.1 定义材料参数 材料参数包括定义单元类型,这里选取了solid226,并在它的option 选项里选择压 湖北大学学报(自然科学版)第30卷30电这个选项.然后定义压电陶瓷的密度、介电常数、刚度系数和压电常数,后两个参数是用矩阵的形式来表示的.为了方便后期的网格划分处理,添加了一个单元类型mesh200,它主要用来进行面划分,下一节将详细介绍.定义材料参数的部分代码及注释如下所示:ET,1,SOL ID226,101 !定义solid226单元类型KEYOP T,1,1,1001!在solid226选项中选择压电选项ET,2,M ESH200!3!定义mesh200单元类型KEYOP T,2,1,7KEYOP T,2,2,0MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDA TA,DENS,1,7600!定义压电陶瓷密度TB,AN EL,1,1,21,0!定义压电陶瓷的刚度系数TB TEMP,0TBDA TA,,1.32e11,7.1e10,7.3e10,,,TBDA TA,,1.32e11,7.3e10,,,,1.15e11TBDA TA,,,,,3.0e10,,TBDA TA,,2.6e10,,2.6e10,,,MPTEMP,,,,,,,,!定义压电陶瓷的介电常数MPTEMP,1,0MPDA TA,PERX,1,,7.124e-9MPDA TA,PER Y,1,,7.124e-9MPDA TA,PERZ,1,,5.841e-9TB,PIEZ,1,,,0!定义压电陶瓷的压电系数TBMODIF,1,1,TBMODIF,1,2,TBMODIF,1,3,-4.1TBMODIF,2,1,TBMODIF,2,2,TBMODIF,2,3,-4.1TBMODIF,3,1,TBMODIF,3,2,TBMODIF,3,3,14.1TBMODIF,4,1,TBMODIF,4,2,TBMODIF,4,3,TBMODIF,5,1,TBMODIF,5,2,10.5TBMODIF,5,3,TBMODIF,6,1,10.5TBMODIF,6,2,TBMODIF,6,3,3.2 建立模型及网格划分 首先新建一个长为0.005m,宽为0.001m的矩形.然后选取单元类型为mesh200,对该矩形进行面划分,其中长和宽分别划分8份和10份,结果如图2所示.然后用操作选项中的Ext rude命令将其扩展成一个已划分好的圆盘体,其中要在Extrude选项中将单元类型选择为solid226,并在要划分的数目中填入10.接着用Extrude命令将其扩展成一个圆盘,其扩展结果如图3所示.第1期雷辉等:用ANSYS 软件分析压电陶瓷的振动状态31 图2 面划分图 图3 体划分图3.3 添加约束条件和负载 添加的约束条件是在上、下表面的圆心处分别添加位移约束,使其只能沿纵向方向移动.具体代码及注释如下:nsel ,s ,loc ,y ,0nsel ,r ,loc ,z ,0nsel ,r ,loc ,x ,0!选取下表面圆心上的点d ,all ,ux ,0!使其不能沿x 方向运动d ,all ,uz ,0!使其不能沿y 方向运动nsel ,s ,loc ,y ,0.001!选取上表面圆心上的点nsel ,r ,loc ,z ,0!同理nsel ,r ,loc ,x ,0d ,all ,ux ,0d ,all ,uz ,0给圆盘添加的电压负载是在圆盘的上下表面的两个电极上加上耦合电压,其电压值分别为5伏和0伏.这样使得圆盘上下电势差为5伏.其代码及注释如下:nsel ,s ,loc ,y ,0!选取下表面所有节点cp ,1,volt ,all !为下表面添加耦合电压3get ,n_bot ,node ,0,num ,min !定义下表面的电极节点nsel ,s ,loc ,y ,0.001!选取上表面所有节点cp ,2,volt ,all !为上表面添加耦合电压3get ,n_top ,node ,0,num ,min !定义上表面的电极节点nsel ,all !选取所有节点d ,n_bot ,volt ,0!下表面加0伏电压d ,n_top ,volt ,5!上表面加5伏电压3.4 静态和模态下的处理 首先选择处理状态为静态,并在此状态下得出其静态电容,代码及注释如下:/SOL !进入处理环节AN T YPE ,0!选择静态处理/STA TUS ,SOL U SOL V E !求解3get ,cs ,node ,n_top ,rf ,chrg !得到上电极电量值fini !处理结束3SET ,cs ,abs (cs )/5!得到静态电容接着进行模态分析,设定它有20个子步,频率范围为02200000Hz ,并且将上表面短路,代码及注释如下:/SOL U !进入处理环节AN T YPE ,2!选择模态处理MODOPT ,L ANB ,20!定义处理方法和子步数EQSL V ,SPAR !选择处理器MXPAND ,20,,,1!要显示的子步数L UMPM ,0PSTRES ,0MODOPT ,L ANB ,20,0,2000000,,OFF !定义频率范围32 湖北大学学报(自然科学版)第30卷d ,n_top ,volt ,0!上表面短路nsel ,all!选择所有节点/STA TUS ,SOL USOL V E !求解3.5 后处理 后处理是指检查并分析求解的结果的相关操作.这是分析中最重要的环节之一,因为任何分析的最终目的都是为了研究作用在模型上的的载荷是如何影响设计的[5].检查分析结果可使用两个后处理器:POST1(通用后处理器)和POST26(时间历程后处理器).POST1允许检查整个模型在某一载荷步和子步(或对某一特定时间点或频率)的结果.POST26可以检查模型的指定节点的某一结果项相对于时间、频率或其它结果项的变化.在求解时,ANS YS 将结果写入结果文件,进行后处理时,结果文件必须存在且可用.结果文件名的后缀取决于分析类型,对于结构分析的结果文件的后缀为RST [6].本次实验只用到了POST1.在后处理中利用一个循环语句可以得出不同频率下的动态电容、动态电感、电量以及阻抗值.其代码和注释如下:/POST13SET ,nmodes ,20!定义nmodes =203dim ,C ,array ,nmodes!定义电容数组3dim ,L ,array ,nmodes!定义电感数组3SET ,PI2,233.14159!定义PI2=233.14159set ,first!设定第一个子步/com ,3do ,i ,1,nmodes !定义一个循环,从1到20步3get ,Fi ,mode ,i ,freq !得到该步的频率值3get ,Qi ,node ,n_top ,rf ,chrg !得到该步的电量值3SET ,Omi ,Pi23Fi !将线速度转化为角速度3SET ,C (i ),(Qi/Omi )332!计算相关的动态电容3SET ,L (i ),1/(Omi 3323C (i ))!计算相关的动态电感/com ,Mode %i %!在输出窗口中显示第几步/com ,Resonant f requency F =%Fi %Hz !在输出窗口中显示频率值/com ,Dynamic capacitance C =%C (i )%F !在输出窗口中显示动态电容值/com ,Dynamic inductance L =%L (i )%H !在输出窗口中显示动态电感值/com ,charge Q =%Qi %C!在输出窗口中显示电量值/com ,Impedance R =%5/(233.141593Fi 3Qi )%!在输出窗口中显示阻抗值/com ,set ,next !进入下一个子步3enddo!循环结束FINISH同时可以在主菜单的Animation 选项下看一下压电圆盘在各个不同频率下的振动状态,这里截取了几个振动图,如图4所示:(a )频率为29728Hz (b )频率为65741Hz (c )频率为53476Hz图4 振动状态图第1期雷辉等:用ANSYS软件分析压电陶瓷的振动状态33 4 结束语本文对压电陶瓷圆盘添加了约束和对称负载,解决了压电陶瓷压电场与结构场的耦合问题,并且最终得到了压电圆盘在静态下的电容值,以及它在模态下的动态电容、动态电感、电量和阻抗,而且还可以观察圆盘在各个不同频率下的振动状态,以便于今后对材料性能的研究以及对材料的改进.同时,不难发现Ansys8.0在处理压电耦合场这方面有很强的处理能力,像Solid226就是专门针对压电分析而定义的,而且Ansys8.0在其材料库中建立了相关的压电材料,因此大大简化了有限元的建模和计算,强大的后处理功能更是让研究者能够很直观的获得数据结果和模拟图像.参考文献:[1]林书玉,张福成.压电陶瓷圆片振子的多模耦合振动[J].电子学报,1994,12:43249.[2]姜德义,郑拯宇.压电陶瓷片耦合振动模态的ANSYS模拟分析[J].传感技术学报,2003,12:9216.[3]陈大任.压电陶瓷微位移驱动器概述[J].电子元件与材料,1994,2:33240.[4]邵蕴秋.ANSYS8.0有限元分析实例导航[M].北京:中国铁道出版社,2004.[5]刘涛.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002.[6]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京:北京大学出版社,2003.Using ANSYS to analyze the vibration state of piezoelectric ceramicL EI Hui,ZHOU Shuang2e(School of Mathematics and Computer Science,Hubei University,Wuhan430062,China) Abstract:The application of piezoelect ric ceramic becomes more and more extensive,However,it needs to take much more time to st udy it by t raditional experiment s and t he result s are often unilateral for complex prezoelect ric ceramics boundary co ndition and st ress state.In t his view,we use big2scale general piezoelect ric ceramic’s boundary condition and st ress state simulating software ANS YS8.0to carry t hrough comp uter simulation.We gain t he pict ure of piezoelect ric ceramic’s vibration state by using comp uter to analyze t he coupling effect of piezoelect ric ceramic.The experiment result indicates t hat ANS YS8.0can competently deal wit h p roblems about piezoelectric coupling field.It optimizes t he time of creating model and comp uting largly,and it s st rong f unction of post dealing makes researchers can directly obtain data result s and simulating images.K ey w ords:simulation;piezoelect ric ceramic;vibratio n state(责任编辑肖铿,胡小洋)。

ANSYS压电分析命令流详解

ANSYS压电分析命令流详解

ANSYS压电分析命令流详解FINISH/CLEAR,START/PREP7!-------------------------------------------定义压电单元及参数!单元定义ET,1,SOLID5KEYOPT,1,1,3KEYOPT,1,3,0KEYOPT,1,5,0!定义材料MPTEMP,1,0MPDE,DENS,1MPDATA,DENS,1,,7700MPTEMP,1,0MPDE,PERX,1MPDATA,PERX,1,,826MPDE,PERY,1MPDATA,PERY,1,,919MPDE,PERZ,1MPDATA,PERZ,1,,919-------------------------------------------d矩阵,球坐标系下,r方向为3方向TBDE,PIEZ,1TB,PIEZ,1,,,1TBMODIF,1,1,3.56E-010TBMODIF,1,2,0TBMODIF,1,3,TBMODIF,2,1,-1.48E-010TBMODIF,2,2,0TBMODIF,2,3,TBMODIF,3,1,-1.48E-010TBMODIF,3,2,0TBMODIF,3,3,TBMODIF,4,1,0TBMODIF,4,2,4.32E-010TBMODIF,4,3,TBMODIF,5,1,0TBMODIF,5,2,TBMODIF,5,3,0TBMODIF,6,1,TBMODIF,6,2,0TBMODIF,6,3,4.32E-010-------------------------------------------d矩阵,球左边系下,r方向为3方向-------------------------------------------e矩阵,球左边系下,r方向为3方向TBDE,ANEL,1,,,TB,ANEL,1,1,21,1TBTEMP,0TBDATA,,11.087e-12,7.509e-12,7.509e-12,0,0,0TBDATA,,12.035e-12,7.5179e-12,0,0,0,12.035e-12TBDATA,,0,0,0,2.1053e-12,0,0TBDATA,,2.1053e-12,0,2.2584e-12,,,-------------------------------------------e矩阵,球左边系下,r方向为3方向!-------------------------------------------定义压电单元及参数!-------------------------------------------建模!-------------------------------------------r1内径!-------------------------------------------r2外径r1=7e-3r2=10e-3!-------------------------------------------球cyl4,,,r1,,r2,90VROTAT,all, , , , , ,3,2,90, ,!-------------------------------------------球!-------------------------------------------定义球坐标系,选择材料1,并弄将压电矩阵转置到球坐标系下CSWPLA,11,2,1,1,TYPE,1MAT,1REAL,ESYS,11SECNUM,!-------------------------------------------定义球坐标系,选择材料1,并弄将压电矩阵转置到球坐标系下!-------------------------------------------设置压电球网格密度CSYS,2 !球坐标系,X轴为r方向p1=5 !=============压电球厚度方向单元数LSEL,S,LOC,X,1.1*r1,0.9*r2LESIZE,all, , ,p1, , , , ,1LSEL,S,LOC,X,r1LESIZE,all, , ,4*p1, , , , ,1 !=============压电球周向单元数4*p1=============!-------------------------------------------设置压电球网格密度VMESH,all !画网格allsel!-------------------------------------------1/8球体位移边界条件ASEL,S,LOC,X,0APLOTNSLA,R,1D,ALL, ,0, , , ,UX, , , , ,ALLSELASEL,S,LOC,Y,0APLOTNSLA,R,1D,ALL, ,0, , , ,UY, , , , ,ALLSELASEL,S,LOC,Z,0APLOTNSLA,R,1D,ALL, ,0, , , ,UZ, , , , ,ALLSEL!-------------------------------------------进入求解器/SOLUALLSELANTYPE,TRANS !指定分析类型TRNOPT,FULL !指定瞬态分析方法NLGEOM,OFF !-----关闭大变形选项TINTP,,0.25,0.5,0.5 !压电瞬态分析中,瞬态积分参数EQSLV,SPAR !算法选择,稀疏矩阵算法OUTPR,ALL,ALL !控制结果的输出OUTRES,ALL,2 !保存所有的数据到结果文件中,2步输出一个结果文件TIMINT,ON,ALL !使用瞬态效应!-------------------------------------------施加电压1,v1=0CSYS,2ASEL,S,LOC,X,r1APLOTNSLA,R,1*SET,V1,0CP,1,VOLT,ALL !耦合电压*GET,N1,NODE,,NUM,MIND,N1,VOLT,V1 !施加电压荷载ALLSEL,ALL!-------------------------------------------施加电压2 ASEL,S,LOC,X,r2NSLA,R,1*SET,V2,200CP,2,VOLT,ALL !耦合电压*GET,N2,NODE,,NUM,MIN!D,N2,VOLT,V2 !施加电压荷载ALLSEL,ALLCSYS,0!----------------------------------施正弦加电压2,并求解f=100000 !激励电压频率T=1/fst=25 !每一个周期求解步数DT=T/ststepp=5*st !5个周期*DO,J,1,steppt1=f*DT*J !5个正弦波D,N2,VOLT,V2*SIN(2*3.1415926*t1) !施加电压荷载TIME,DT*J !载荷时间步NSUBST,1,,,1SOLVE*ENDDOTIME,2*stepp*DT !再算5周期NSUBST,50,,,1 !5周期,计算50步KBC,0SOLVEFINISH/POST26 !时间后处理器NSEL,S,LOC,X,r2 NSEL,r,LOC,y,NSEL,r,LOC,z,*GET,N3,NODE,,NUM,MINNSOL,3,N3,U,X, UX_3, PLVAR,3,。

ANSYS对于压电双晶片梁 作动 传感分析

ANSYS对于压电双晶片梁 作动 传感分析
pasave
fini
d32=0.3e-11
d33=-3.0e-11
ept33=12 ! 介电常数
!
! 双压电晶片梁有限元模型
!
local,11 ! 建立局部坐标系 下部 +Y方向
local,12,,,,,180 ! 建立局部坐标系 上部 -Y方向
!
! PVDF 材料特性
!
E1=2.0e9 ! 杨氏模量, N/m^2
NU12=0.29 ! 泊松比
G12=0.775e9 ! 剪切模量, N/m^2
d31=2.2e-11 ! 压电应变常数, C/N
/dscale,1,1 ! 设置 刻度
pldisp,1 ! 显示 变形前后 的形状
path,position,2,,100 ! 设置 路径 名称及参数设置
ppath,1,,0,H ! 定义路径 沿着晶片 的上边沿
/axlab,y, Electrode Voltage (Volt)!设置 Y轴 标签为 Electrode Voltage (Volt)
plpath,Volt ! 显示路径上 电压
/axlab,y, Beam Deflection (m)
plpath,Uy ! 显示路径上的变形
antype,static ! 静态分析
*do,i,1,nelec
d,ntop(i),volt,V ! 对上方电极进行加压
*enddo
solve
Uy_an = -3*d31*V*L**2/(8*H**2) ! 理论解
/com,
tb,DPER,1,,,1 ! 建立介电应力常数矩阵
tbdata,1,ept33,ept33

基于ANSYS Workbench的柔性压电发电装置的仿真分析

基于ANSYS Workbench的柔性压电发电装置的仿真分析

发展 , 计算 机技 术得 到不 断 提升 , 有 限元分 析 软件也 从对 单一 物理 场 的研究 向多物理 场耦 合 的方 向发 展 。本
文 利 用有 限元 分析 软件 AN S YS Wo r k b e n c h构建 三 维 数 值 水槽 , 针 对 单个 和相 邻 两 个 压 电体 , 在 相 同 流速 条 件 下开 展流 固耦 合仿 真分 析 , 得 出单个压 电体与 相邻 两 个压 电体 的形 变 量 、 压 强 及 电 压 的数 值 分 析结 果 , 为基 于压 电发 电 的海洋 新能 源 的开发 利用 提供 设计 r k b e n c h的 柔 性 压 电发 电装 置 的 仿 真 分析
崔宜梁 , 王海峰 , 段爱波 , 孙 凯利
( 青 岛 大学机 电工 程 学院 , 青岛 2 6 6 0 7 1 )
摘要: 为 了研 究 压 电体 在 海洋 中受 迫振 动发 生形 变产 生 电场 的复杂 问题 , 以柔 性压 电发 电装 置 为例 , 选择 聚偏 氟 乙烯 ( P VD F ) 为 压 电体 , 利 用 有 限元 分析 软 件 ANS YS Wo r k b e n c h进 行 三 维数 值水槽 的建模 以及 模拟 仿 真单个 压 电片 和相邻 两个 压 电片在 数值 水槽 中受 力 以及压 电体 周 围复 杂流 场受 到 压 电片运 动影 响后 的变 化 情 况 。分 析结 果 表 明 , 在 相 同 的瞬 态条 件 下, 单个 压 电片 的最 大变 形量 为 9 4 . 4 1 2 mm, 产生 的 电压 为 1 . 3 1 V; 两个 压 电片 相 邻 布 局 时 的最 大变形 量 为 8 5 . 6 0 2 am, r 产 生 的最大 电压 为 1 . 1 9 V。 关键词: 三 维数 值水槽 ; 柔 性 压 电装置 ; 压 电发 电

基于ANSYS的纯压电振子瞬态特性分析

基于ANSYS的纯压电振子瞬态特性分析
HAN o u SUN a LVHa g Ba -k n Ch o。 n
( h n o gU iesyo c n ea dT c nlg , ig a 6 5 0 C ia S a d n nvr t f i c n eh o y Q n do2 6 1 , hn ) i S e o
在 理 想 频 率 厂= 0 5k z下 对 振 子 表 面施 加 4 . H
Байду номын сангаас2 0V的正 弦变 压载荷 ( 0 载荷分 布 如 图 3所示 ) 行 进 瞬态分 析 。
l l 2 s I = 0c l =0 i2 2 o2 V 0 n 0 s 1 320o2 1 =0s 1 =0c 20n V s i2
j 薪 i
计 斩
. … …
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/ , 《 z ≯
' ;
… 一 … … … … … … … … … 一 … 一 … … … … … … … … … - … … … … … … - _ - … … … … … … - -_
触持电棚 22 第 o 第 期 0 年 4卷 4 l
( )一 阶 纵 向振 动 L 振 型 a l ( )二 阶弯 曲振 动 B b 2振 型
图 2 纯压 电振 子 的模 态 分 析 结 果
根 据模 态简 并原则 , 选定 3 4 Hz 8~ 3k 作为 频率 范围, 并对 压 电振子 两 表 面 施加 幅值 为 20V的 正 0 弦 电压 进 行 谐 响 应 分 析 , 到 振 子 的 理 想 频 率 为 得
并能在各场间实现有限耦合的 S LD 单元。 O I5 压 电振 子 的性能 参 数 J压 电振 子材 料 为 锆钛 :
酸铅 ( i 缩 写 :Z 4 , 料 密 度 为 750 PZTO )( PT ) 材 0

Ansys压电分析

Ansys压电分析

ansys压电分析压电效应分析是一种结构-电场耦合分析。

当给石英和陶瓷等压电材料加电压时,它们会产生位移,反之若使之振动,则会产生电压。

压力传感器就是压电效应的一种典型的应用。

压电分析(ANSYS/Multiphysics或ANSYS /Mechanical软件包提供这种分析)类型可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析。

压电分析只能用下列单元类型之一:PLANE13, KEYOPT(1)=7,耦合场四边形实体单元SOLID5, KEYOPT(1)=0或3,耦合场六面体单元SOLID98, KEYOPT(1)=0或3,耦合场四面体单元KEYOPT选项激活压电自由度:位移和电压。

对于SOLID5和SOLID98,KEYOPT(1)=3仅激活压电选项。

注意:如果模型中激活了至少一个带有压电自由度(位移和VOLT)的单元,则需要用到VOLT自由度的所有单元必须是上面三种压电单元其中之一。

而且,所有的这些单元均需激活压电自由度。

如果不希望在这些单元中存在压电效应,则需给材料定义非常小的压电特性。

压电KEYOPT用NLGEOM,SSTIF,PSTRES命令可用大挠度和应力刚化作用(参见《ANSYS Commands Reference》对这些命令的更多信息,参见《ANSYS Structural Analysis Guide》及《ANSYS,Inc. Theory Reference》的第三章关于大挠度及应力刚化功能的更多信息)。

对PLANE13,通过设置KEYOPT(1)=7可用大挠度及应力刚化功能。

对SOLID5及SOLID98通过设置KEYOPT(1)=3可用大挠度及应力刚化功能。

而且小挠度及应力刚化选项可以通过KEYOPT(1)=0使用。

注意-对压电分析不能使用自动求解控制。

SOLCONTROL缺省设置只能对纯结构或纯热分析使用。

对大挠度压电分析,必须用非线性求解命令定义有关设置。

基于Ansys的压电传感器设计与振动分析-毕业答辩

基于Ansys的压电传感器设计与振动分析-毕业答辩

三.研究内容
压电传感器的工作原理是基于某些材料的压电效应。如 图1(a)所示。压电力,速度或加速度传感器可以通过 使用正向压电效应来制造。当对压电晶体施加电场时, 晶体不仅产生极化而且产生应变和应力的现象称为反压 电效应,如图1(b)所示。当电场不强时,应变与外部 电场线性相关。压电位移或力跟随器可以通过反压电效 应制成。
三.研究内容
通过实验可以验证哪种方法在模拟中是准确的。
图5 前六阶振型
三.研究内容
当弹性膜片的弹性模量恒定时,研究了弹性膜片宽度对 固有频率的影响。内圈弹性膜片的宽度为L1,外圈弹性 膜片的宽度为L2作为设计变量,石英晶片的极限强度为 SMAX作为状态变量,传感器的一阶固有频率是F作为目 标函数。这里采用的实际目标函数是10000-f。原因是目 标函数将最小值作为优化目标,从而可以最大化传感器 的一阶固有频率。通过优化分析得到弹性膜片宽度与固 有频率之间的关系曲线。见图所示。
基于Ansys的压电传感器设 计与振动分析
----硕士毕业答辩
目录
1. 研究背景及意义 2.国内外研究进展 3.研究内容 4.总结与展望
一.研究背景及意义
随着科学技术的进步,压电材料将应用于人类生产和 生活的各个角落。在最初发现石英晶体具有一定的压 电特性后,经过进一步的研究和探索,人们开发出了 各种压电晶体,然而,如何使石英压电传感器在动态 模式下稳定工作一直是一个重要的课题。传感器分析 的基本问题是建立传感器的数学模型,揭示传感器弹 性体的应力和应变关系,并解释传感器的机械特性和 耦合尺寸之间的本质关系。理论上,对于某石英压电 传感器的力学模型,可以通过三维运动方程加边界条 件精确求解振动规律,但极其复杂的运动方程和边界 条件使得难以获得解析解。

Ansys压电分析

Ansys压电分析

ansys压电分析压电效应分析是一种结构-电场耦合分析。

当给石英和陶瓷等压电材料加电压时,它们会产生位移,反之若使之振动,则会产生电压。

压力传感器就是压电效应的一种典型的应用。

压电分析(ANSYS/Multiphysics或ANSYS /Mechanical软件包提供这种分析)类型可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析。

压电分析只能用下列单元类型之一:PLANE13, KEYOPT(1)=7,耦合场四边形实体单元SOLID5, KEYOPT(1)=0或3,耦合场六面体单元SOLID98, KEYOPT(1)=0或3,耦合场四面体单元KEYOPT选项激活压电自由度:位移和电压。

对于SOLID5和SOLID98,KEYOPT(1)=3仅激活压电选项。

注意:如果模型中激活了至少一个带有压电自由度(位移和VOLT)的单元,则需要用到VOLT自由度的所有单元必须是上面三种压电单元其中之一。

而且,所有的这些单元均需激活压电自由度。

如果不希望在这些单元中存在压电效应,则需给材料定义非常小的压电特性。

压电KEYOPT用NLGEOM,SSTIF,PSTRES命令可用大挠度和应力刚化作用(参见《ANSYS Commands Reference》对这些命令的更多信息,参见《ANSYS Structural Analysis Guide》及《ANSYS,Inc. Theory Reference》的第三章关于大挠度及应力刚化功能的更多信息)。

对PLANE13,通过设置KEYOPT(1)=7可用大挠度及应力刚化功能。

对SOLID5及SOLID98通过设置KEYOPT(1)=3可用大挠度及应力刚化功能。

而且小挠度及应力刚化选项可以通过KEYOPT(1)=0使用。

注意-对压电分析不能使用自动求解控制。

SOLCONTROL缺省设置只能对纯结构或纯热分析使用。

对大挠度压电分析,必须用非线性求解命令定义有关设置。

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压电分析
The capability of modeling piezoelectric response exists in the following elements:
SOLID5 - Coupled-Field Solid Element
PLANE13 - 2-D Coupled-Field Solid Element
SOLID98 - Tetrahedral Coupled-Field Solid Element
PLANE223 - 2-D 8-Node Coupled-Field Solid Element
SOLID226 - 3-D 20-Node Coupled-Field Solid Element
SOLID227 - 3-D 10-Node Coupled-Field Solid Element
The electromechanical constitutive equations for linear material behavior are:
(11–36)
(11–37)
or equivalently
(11–38) where:
{T} = stress vector (referred to as {σ} elsewhere in this manual) {D} = electric flux density vector
{S} = strain vector (referred to as {ε } elsewhere in this manual) {E} = electric field vector
[c] = elasticity matrix (evaluated at constant electric field (referred to as [D] elsewhere in this manual))
[e] = piezoelectric stress matrix
[ε] = dielectric matrix (evaluated at constant mechanical strain)
The elasticity matrix [c] is the usual [D] matrix described in Structural Fundamentals(input using the MP commands). It can also be input directly
in uninverted form [c] or in inverted form [c]-1 as a general anisotropic symmetric matrix (input using TB ,ANEL):
[c]刚度矩阵经常采用”MP ”命令输入,也可以用“TB,ANEL ”命令输入各向异性对称矩阵的形式。

(11–39)
The piezoelectric stress matrix [e] (input using TB ,PIEZ with TBOPT = 0) relates the electric field vector {E} in the order X, Y, Z to the stress vector {T} in the order X, Y, Z, XY, YZ, XZ and is of the form:
[e]压电应力矩阵采用”TB,PIEZ ”,TBOPT =0输入
(11–40)
The piezoelectric matrix can also be input as a piezoelectric strain matrix [d] (input using TB ,PIEZ with TBOPT = 1). ANSYS will automatically convert the piezoelectric strain matrix [d] to a piezoelectric stress matrix [e] using the elasticity matrix [c] at the first defined temperature:
压电矩阵也可以以压电应变矩阵[d]的形式输入,“TB,PIEZ ”with TBOPT=1 Ansys 会自动将压电应变矩阵[d]转换为压电应力矩阵
[e]
(11–41) The orthotropic dielectric matrix [ε] uses the electrical permittivities (input as PERX, PERY and PERZ on the MP commands) and is of the form:
正交各向异性介电矩阵[ε]由介电常数构成,“MP”命令的ERX, PERY and PERZ 输入:
(11–42)
The anisotropic dielectric matrix at constant strain [εS] (input used by (used by TB,DPER,,,,0 command) PLANE223, SOLID226, and SOLID227) and is of the form:
常应变时的各向异性介电矩阵[ε]可以由命令TB,DPER,,,,0 command,在PLANE223, SOLID226, and SOLID227)输入
(11–43)
The dielectric matrix can also be input as a dielectric permittivity matrix at constant stress [εT] (input using TB,DPER,,,,1). The program will automatically convert the dielectric matrix at constant stress to a dielectric matrix at constant strain:
常应力时的常应变时的介电矩阵[ε]可以由命令TB,DPER,,,,1 command输入
(11–44) where:
[εS] = dielectric permittivity matrix at constant strain
[εT] = dielectric permittivity matrix at constant stress
[e] = piezoelectric stress matrix
[d] = piezoelectric strain matrix。

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