ANSYS软件设计水声换能器
借助ANSYS优化设计声学换能器(2008版)
12
3.2.2 属性－从几何模型到有限元模型
13
3.3 求解——解有限元方程
16
3.3.1 求பைடு நூலகம்选项
16
3.3.2 施加载荷
16
3.4 后处理——提取变量参数、获得问题答案
17
第四章 换能器分析模拟实例
18
4.1 压电材料参数与坐标变换
18
4.2 压电换能器模拟分析实例——纵向换能器发射性能分析
20
4.3 几种常见类型压电换能器的分析建模实例
36
第五章 纵向换能器结构优化与设计
45
5.1 纵向换能器压电堆优化的新探讨
45
5.2 双激励纵向换能器的结构弹性与小型低频宽带换能器的设计 51
5.3 换能器有载谐振频率及阻抗分析的流体模型简化处理方法 56
5.3.1 水声换能器简化流体模型分析实例
56
近些年不少超声领域的学者与本人探讨 ANSYS 软件应用的问 题，所以笔者考虑水声换能器建模的讨论已经内容较多，有必要将超 声换能器的分析内容及分析方法做些介绍，因此本讲义新增的第五章 内容即是从纵向换能器优化的实例入手，结合超声换能器设计中所关 注的技术问题，展开一系列计算与讨论。其中不乏有笔者初浅的处理 思路和分析方法，与各位学者共勉，同时也希望得到您的批评指导及 各方面的宝贵意见。
其中不乏有笔者初浅的处理思路和分析方法与各位学者共勉同时也希望得到您的批评指导及各方于北京借助ansys优化设计声学换能器第一章ansys有限元软件简介11ansys软件应用于声学及换能器领域解决的具体问题12ansys软件简介第二章ansys有限元软件设计换能器的基本理论21有限元法分析换能器机电耦合问题的数理基础22ansys有限元软件用于换能器分析的基本理论23ansys有限元软件用于换能器分析的一般步骤24利用ansys软件来解决磁致伸缩机电耦合问题第三章ansys有限元软件分析换能器的基本过程31模型简化准物理模型32建模有限元模型的生成321几何模型的构建322属性从几何模型到有限元模型33求解解有限元方程331求解选项332施加载荷34后处理提取变量参数获得问题答案第四章换能器分析模拟实例41压电材料参数与坐标变换42压电换能器模拟分析实例纵向换能器发射性能分析43几种常见类型压电换能器的分析建模实例第五章纵向换能器结构优化与设计51纵向换能器压电堆优化的新探讨52双激励纵向换能器的结构弹性与小型低频宽带换能器的设5153换能器有载谐振频率及阻抗分析的流体模型简化处理方法531水声换能器简化流体模型分析实例532超声清洗换能器简化流体负载模型分析实例参考文献11121213161616171818203645455656586311莫喜平
基于ANSYS在水声目标探测中的应用
基于ANSYS在水声目标探测中的应用1 前言有限元法(Finite Element Method, FEM)的基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体，是一套求解微分方程的系统化数值计算方法，它比传统解法具有理论完整、物理意义直观明确、解题效能强等优点，其适应性强，形式单纯、规范，现已被广泛应用到许多工程技术和科学研究领域。
常见声纳目标的特性是多种多样的，因而计算也是比较复杂的。
例如为了方便计算声纳目标的强度，通常要将目标假设成理想的条件，如假定成刚性不动的球、柱等，由此计算得到的结果，尽管误差很大，但仍可以看作实际的目标。
为了计算目标的线谱，需要对目标进行模态计算。
采用有限元法可以对目标在结构上做出更少近似，还可以对不同材料构成的复杂目标进行建模，也很容易得到仿真结果。
下面就水雷、鱼雷两种目标特性进行有限元计算。
声纳就是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。
目前，声纳是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪;进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。
此外，声纳技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。
2 水雷目标强度计算水雷是布设在水中的一种爆炸性武器，它可由于舰船碰撞或进入其作用范围而起爆，用于毁伤敌方舰船或阻碍其活动。
水雷具有隐蔽性好、布设简便、造价低廉等特点，按水中的状态区分，有触发水雷，非触发水雷和控制水雷。
水雷呈球形，为了便于计算其目标强度，常将其假定成刚性不动的球体，其物理模型如图1所示，假定球体直径为φ 200mm，平面声波平行入射到球体上，对应的有限元模型，如图1(b)所示(部分模型)。
为了提高计算速度，采用轴对称模型，球体可采用 plane13、plane42等单元类型，流体单元类型为fluid29(absent、present)，及无限声吸收单元 fluid129;网格划分的大小约为λ/4～λ/8;图2是 300Hz时的球体目标强度方位图。
水声宽带换能器阻抗匹配电路设计
水声宽带换能器阻抗匹配电路设计李路路;王振宇;郭庆【摘要】In order to improve the electroacoustic efficiency of the broadband transducer,a dynamic impedance matching cir-cuit is designed.The coarse tuning of matching circuit in every frequency point is implemented by controlling the series in-ductance with the analog switch.Based on the variable capacitance value of the varactor,the matching circuit is tuned.The current value of transmitting terminal is monitored in real time,the state of the matching circuit is tuned on-line according to the current value.Test results show that the transmission distance of each code element signal is increased 0.5-4.5 m by u-sing dynamic impedance matching circuit in the same transmitting condition,the electroacoustic efficiency of the broadband transducer is improved significantly.%为提高水声宽带换能器电声转换效率,设计了一种动态阻抗匹配电路。
用ANSYS软件分析压电换能器入门
用ANSYS软件分析压电换能器入门A：分析过程基本步骤一：问题描述（草稿纸上完成）1：画出换能器几何模型，包括尺寸2：选定材料3：查材料手册确定材料参数二：建立模型1：根据对称性确定待建模型的维数2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码3：建立一个文件夹用于当前分析4：启动ANSYS软件，指定路径到建立的文件夹，5：定义单元类型压电换能器分析使用的单元类型：solid5：8个节点3D六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。
无实常数。
plane13：4个节点2D四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。
无实常数。
solid98：10个节点3D四面体耦合场单元。
无实常数。
Fluid30：8个节点3D六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。
应用于近场水和远场水。
实常数为参考声压，可缺省。
Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。
实常数：半径，球心X，Y，Z坐标值。
6：定义材料参数对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。
（静态分析不用密度）对压电材料：一般使用的压电方程：e型压电方程，因此输入的常数为注意！一般顺序为：XX，YY，ZZ，YZ，XZ，XY。
在ANSYS中为XX，YY，ZZ，XY，YZ，XZ。
因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。
7：建立关键点8：把关键点连成线9：把线段围成面10：通过适当的方法生成体11：指定单元类型和材料参数12：划分线段13：划分体单元14：坐标转换，（转换到柱坐标系下）15：节点转换三：加载约束条件1：加载边界约束条件2：电极上加电压四：求解1：模态分析2：谐响应分析五：查看结果1：查看模态分析结果，计算导纳。
2：各模态的动态演示3：查看谐响应分析结果，计算导纳、发射与接收响应。
六：生成命令流文件1：给程序分块，添加适当的注释2：把相应参数具体值改成变量，同时给变量赋值B：空气中建模过程一：问题描述弯曲式换能器实体模型为轴对称结构。
ANSYS软件在模拟分析声学换能器中的应用
万方数据 万方数据 万方数据 万方数据第６期莫喜平等：ＡＮＳＹｓ软件在模拟分析声学换能器中的应用１２８３［ｅ］－勖１ｅ３３ｅａｌｘ方向极化状态：弹性常数矩阵：［Ｃ］－氏Ｃ１３Ｃ１３０ａ３ＣｌｌＣｋ０氏％Ｃ１ｌ００００ｃ毡００００００００介电常数矩阵：００００Ｏ０００瓯００ｃ毡（１３）（１４）ｃ８，．－占。
ｃｓ，，＝占。
［占鹋占ｎ。
占订。
］ｃ－５，［ｅ］＿％８３１ｅ３１（１６）４．２压电纵向换能器水中发射性能分析本节介绍从几何建模到换能器各技术参数的提取过程。
概括换能器计算分析的几个重要环节的处理，总结换能器各技术参数的提取方法及依据。
４．２．１问题模型［２１模型描述：如图２所示的纵向换能器。
换能器由前辐射头（硬铝）、压电陶瓷（ＰＺＴ４）、后质量块（黄铜）、预应力螺栓（４璐钢）组成，结构通过去耦垫环与不锈钢外壳隔离，前辐射头用透声聚氨酯橡胶灌注密封。
压电陶瓷Ｉ与压电陶瓷１１分别代表极化方向相反的陶瓷。
前辐射头的特殊形状是为了获得宽波束、宽带辐射特性，后质量块设计成桶型是为了减少纵向尺寸。
其结构形状复杂，用集总参数等效电路法分析将比较困难．尤其是振动模之间的耦合问题。
有限元法更显优势。
通过有限元法还可以计算得到对应等效电路中的元件参数。
４．２．２准物理模型准物理模型中忽略透声聚氨酯橡胶、去耦垫环、图２纵向换能器模式图Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆａｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ粘接层、电极片，忽略不锈钢外壳，代之以流体介质的刚性界面边界条件：换能器中前辐射头与流体接触界面施加流体一结构耦合边界条件，换能器元件之间包括螺纹连结及胶粘剂粘接部分以连续体描述，边界部分为自由边界条件。
分析电声性能、振动特性时忽略预应力的影响。
忽略非轴对称的影响，用轴对称模型进行分析。
４．２．３几何模型几何模型按准物理模型及分析对象的结构情况构建而成．模型建立通过换能器及流体空间的一个旋转母面用轴对称描述（Ｙ轴为对称轴）。
基于ANSYS二次开发的水声换能器参数反演软件设计
char* str1 = (LPSTR)y3; CString cmdline(str1); CStringm_FluentDir("C:\\ProgramFiles\\ANSYS Inc\\v145\\ansys\\bin\\winx64\\ANSYS145.exe"); 此全局函数需要两个输入参数,一个是APDL文件所在的文件 夹,一个是APDL文件的文件名。通过读取该APDL文件获得换能器 的参数和分析指令,接下来后台调用ANSYS软件进行指令执行,执 行结束后可以得到ANSYS软件生成的各类结果文件。此全局函数中 包括了ANSYS的exe文件所在路径,路径发生更改时需要及时对其 更改,否则将无法调用ANSYS软件进行分析。 2.2 ANSYS宏的封装 利用VS软件对ANSYS软件进行后台时需要读写APDL语言进 行操作,因此将APDL宏封装在VS软件可读的文件中是很有必要 的,以下是VS语言对APDL宏的封装过程。 根据现有的分析类别新建一个txt类型的文件用于存储APDL 宏。ANSYS分析软件在对换能器进行分析时,首先需要将换能器参 数输入,接下来需要进行一系列的操作才可以得到分析结果。与此
李涛 耿鹏飞 原晓娟 田杜养 (中船重工西安东仪科工集团有限公司,陕西西安 710072)
摘要:设计了软件的主要工作流程和功能,研究了VS与ANSYS的接口技术、ANSYS宏封装技术,实现了ANSYS二次开发;通过弦截法
完成了仿真声场与实测声场的匹配, 实现了水声换能器参数反演功能, 为水声换能器的设计与测试提供了理论依据与技术支持。
关键词: A N S Y S 二次开发；弦截法；水声换能器；参数反演
中图分类号:TB559
文献标识码:A
文章编号:1007-9416(2019)02-0171-03
用SYS软件分析压电换能器入门
用S Y S软件分析压电换能器入门Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT用ANSYS软件分析压电换能器入门A：分析过程基本步骤一：问题描述（草稿纸上完成）1：画出换能器几何模型，包括尺寸2：选定材料3：查材料手册确定材料参数二：建立模型1：根据对称性确定待建模型的维数2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码3：建立一个文件夹用于当前分析4：启动ANSYS软件，指定路径到建立的文件夹，5：定义单元类型压电换能器分析使用的单元类型：solid5：8个节点3D六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。
无实常数。
plane13：4个节点2D四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。
无实常数。
solid98：10个节点3D四面体耦合场单元。
无实常数。
Fluid30：8个节点3D六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。
应用于近场水和远场水。
实常数为参考声压，可缺省。
Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。
实常数：半径，球心X，Y，Z坐标值。
6：定义材料参数对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。
（静态分析不用密度）对压电材料：一般使用的压电方程：e型压电方程，因此输入的常数为注意！一般顺序为：XX，YY，ZZ，YZ，XZ，XY。
在ANSYS中为XX，YY，ZZ，XY，YZ，XZ。
因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。
7：建立关键点8：把关键点连成线9：把线段围成面10：通过适当的方法生成体11：指定单元类型和材料参数12：划分线段13：划分体单元14：坐标转换，（转换到柱坐标系下）15：节点转换三：加载约束条件1：加载边界约束条件2：电极上加电压四：求解1：模态分析2：谐响应分析五：查看结果1：查看模态分析结果，计算导纳。
2：各模态的动态演示3：查看谐响应分析结果，计算导纳、发射与接收响应。
用ANSYS软件分析压电换能器入门
用ANSYS软件分析压电换能器入门A：分析过程基本步骤一：问题描述（草稿纸上完成）1：画出换能器几何模型，包括尺寸2：选定材料3：查材料手册确定材料参数二：建立模型1：根据对称性确定待建模型的维数2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码3：建立一个文件夹用于当前分析4：启动ANSYS软件，指定路径到建立的文件夹，5：定义单元类型压电换能器分析使用的单元类型：solid5：8个节点3D六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。
无实常数。
plane13：4个节点2D四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。
无实常数。
solid98：10个节点3D四面体耦合场单元。
无实常数。
Fluid30：8个节点3D六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。
应用于近场水和远场水。
实常数为参考声压，可缺省。
Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。
实常数：半径，球心X，Y，Z坐标值。
6：定义材料参数对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。
（静态分析不用密度）对压电材料：一般使用的压电方程：e型压电方程，因此输入的常数为注意！一般顺序为：XX，YY，ZZ，YZ，XZ，XY。
在ANSYS中为XX，YY，ZZ，XY，YZ，XZ。
因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。
7：建立关键点8：把关键点连成线9：把线段围成面10：通过适当的方法生成体11：指定单元类型和材料参数12：划分线段13：划分体单元14：坐标转换，（转换到柱坐标系下）15：节点转换三：加载约束条件1：加载边界约束条件2：电极上加电压四：求解1：模态分析2：谐响应分析五：查看结果1：查看模态分析结果，计算导纳。
2：各模态的动态演示3：查看谐响应分析结果，计算导纳、发射与接收响应。
六：生成命令流文件1：给程序分块，添加适当的注释2：把相应参数具体值改成变量，同时给变量赋值B：空气中建模过程一：问题描述弯曲式换能器实体模型为轴对称结构。
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（2）设定材料参数
力学参数：杨氏模量、泊松比、密度、阻尼系数等
电学参数：介电常数、电阻率
压电参数：可选e常数和d常数，矩阵的元素依据极化方向不同而异。
流体参数：描述声学介质，包括密度、声速、声吸收系数等
（3）建模
充分利用模型运算处理工具 operate运算工具：拉伸、布尔操作（粘接、相交、迭代、剖分、相加等） 需考虑后期方便划分网格。
二.ANSYS软件设计水声换能器
模型简化处理（以Tonpilz换能器为例） ◆结构上去掉不影响结果的细节 ◆轴对称结构
忽略预应力、电极片、粘接层、透声橡胶等（高频需考虑）
（1）选择合适的单元类型
◆二维：结构单元 plane42 压电单元plane1 流体单元fluid29,fluid129 ◆三维：结构单元solid45 压电单元solid5 流体单元fluid30,fluid130 ◆依据分析类型选择单元的自由度
载荷: 施加在结构上的外部参量，如力、 电压、温度。
边界条件: 结构受到的外加约束。
(2)有限元分析三部曲
(3)大型通用有限元分析软件—ANSYS
◆ ANSYS创始人：John Swanson 博士 匹兹堡大学力学系教授，有限元界著名权威 ◆ ANSYS公司成立于1970年，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡
设置分析类型和求解选项
Байду номын сангаас
（8）后处理
◆ 通用后处理器（post1）和时间历程后处理器（post26） ◆将有限元计算结果转化成具体问题的解，直接提取应力分 布、位移分布、声压分布等节点解，间接计算求得电导纳、 发射电压响应等 ◆需熟练运用后处理工具并与相关理论相结合
通用后处理器（post1）
在某一频点上，读取结果数据（read result)的实部或虚部，显 示节点解或者单元解，可描述:结构形变、位移分布、应力（变）、 物理场分布等，如换能器模态、辐射声场波束图、指向性图等
ANSYS软件设计 水声换能器
主讲人：蓝 宇 桑永杰
一.有限元分析方法(FEA)
有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。
有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。
(1)节点、单元、载荷、边界条件
单元: 有线、面或实体以及二维或三 维的单元等种类。
节点: 信息是通过单元之间的公共节点 传递的。
时间历程后处理器（post26）
获取结果变量在计算频率范围内的响应情况，利用变量运算工具可计 算出所需的物理参数及响应曲线，如等效电路参数、电导纳、发射电 压响应，接收灵敏度响应等。
（4）分配材料属性
将定义好的单元类型、材料参数分配到实体模型中
（5）划分网格
◆ 网格质量决定着求解精度 ◆ 尽可能划分四边形、六面体等形状规则的单元 ◆ 密度要适中，兼顾求解精度和计算速度
（6）施加载荷和边界条件
◆ 对压电堆加载电压 ◆ 对称模型施加对称边界条件 ◆ 流体施加无限吸收边界条件
（7）求解设置