基于ANSYS的Cymbal换能器等效压电常数分析
压电换能器的热仿真分析
压电换能器的热仿真分析陈飞，傅波（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）摘要：压电换能器在工作过程中的发热，不仅会引起换能器的性能下降，而且还可能导致换能器失效。
基于传热学的基本理论，应用ANSYS 有限元分析软件，建立了压电换能器的热分析模型。
采用有限差分的数值求解方法，对换能器的整体温度场进行了求解，分析了前后质量块采用不同材料的Langevin 换能器的温度场分布规律，为大功率压电换能器的散热和性能优化方法的研究提供了基础。
关键词：压电换能器；发热；热仿真；有限元；温度场中图分类号：TP391.9；TP212文献标识码：A文章编号：1674-5124（2009）04-0104-03Thermal simulation analysis of piezoelectric transducerCHEN Fei ，FU Bo（College of Manufacturing Science and Engineering ，Sichuan University ，Chengdu ，610065，China ）Abstract:The heating of piezoelectric transducer not only lowers the efficiency of these devices ，but may alsolead to their failure.Based on the heat transfer equation ，the FEM thermal analysis model of piezoelectric transducer was established by means of ANSYS.The temperature field distribution of Langevin transducers with various material types was analyzed.The work provides a foundation for the thermal analysis and optimization of large power piezoelectric transducers.Key words:Piezoelectric transducer ；Heat ；Thermal simulation ；Finite element ；Temperature field收稿日期：2008-12-26；收到修改稿日期：2009-03-11作者简介：陈飞（1983-），男，四川成都市人，硕士研究生，专业方向为超声振动技术及应用。
Cymbal压电发电换能器有限元分析
ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｓ ｈ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｓ ｈ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｗ ｈ ｅ ｎ ｃ ｈ ｏ ｏ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｍｅ ｔ ａ ｌ ｅ ｎ ｄ ｃ ａ ｐ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ Ｐ Ｚ Ｔ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ Ｃ ｙ ｍｂ ａ ｌ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ
ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ，ｉ ｎ ｏ ｒ ｄｅ ｒ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｒｅ ｆ ｑ ｕｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｎｄ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕｔ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｔ ｔ ｏ ｍ
Байду номын сангаас上的输 出阻抗 。提出并分析了基于外加预应力的多振子级联方式 Ｃ ｙ ｍ ｂ ａ ｌ 压 电发电换 能器 系统 的结构 。 关键词 ：压电发电换能器 ； 有 限元 ； 多振子级联 ； 负载阻抗
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｎ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ ｅ ｎｅ ｒ ｇ ｙ ｈａ ｒ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｗｉ ｔ ｈ ｃ ｙ ｍｂａ ｌ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｄｕ ｃ ｅ ｒ
ANSYS压电分析
压电分析The capability of modeling piezoelectric response exists in the following elements:SOLID5 - Coupled-Field Solid ElementPLANE13 - 2-D Coupled-Field Solid ElementSOLID98 - Tetrahedral Coupled-Field Solid ElementPLANE223 - 2-D 8-Node Coupled-Field Solid ElementSOLID226 - 3-D 20-Node Coupled-Field Solid ElementSOLID227 - 3-D 10-Node Coupled-Field Solid ElementThe 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 directlyin 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。
基于ANSYS和MATLAB智能算法的电石热物性参数反演_王彦龙
基于ANSYS和MATLAB智能算法的电石热物性参数反演王彦龙①屈福政（大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024）摘要电石是一种重要的化工基础原料，其冷凝、降温过程对电石出炉系统设计和生产流程控制有着重要影响，因此研究电石的冷却过程有着重要的意义。
由于无法通过实验手段测量电石内部温度，需要通过软件仿真获得电石冷却过程中的温度场分布。
而目前国内在材料热物性参数方面的数据和研究较少，缺少电石导热系数值。
基于ANSYS热仿真和MATLAB智能算法，利用神经网络和遗传算法进行参数反演，得到了电石的热传导系数随温度变化的值。
结果表明这种方法有效可行，对电石出炉系统设计和生产流程控制起到了重要的指导作用，并为研究物质的热物性参数提供了一种新思路。
关键词电石ANSYS热仿真MATLAB智能算法神经网络遗传算法参数反演中图分类号TP18文献标识码Adoi：10．3969/j．issn．1001－1269．2014．02．006Thermal Parameter Inversion of Calcium Carbide Basedon ANSYS and MATLAB Intelligent AlgorithmWang Yanlong Qu Fuzheng（School of Mechanical＆Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024）ABSTＲACT Calcium carbide is a kind of important fundamental raw material in chemical industry，its con-densation and cooling process has important influence on the design of Calcium Carbide tapping system and control of production process．For it is impossible to measure its inner temperature by experimental means，need to simulate its temperature field in the cooling process with software．However，research and data on thermophysical property of ma-terial is rare in domestic，and the coefficient of heat tronsmission simulation is lack of data．This article is based on ANSYS thermal analysis and MATLAB intelligent algorithm，and get the thermal conductivity of Calcium Carbide which varies with the temperature through parameter inversion with neural network and genetic algorithm．TheＲesult shows that this method is effective and feasible，it provides important guidance in the design of Calcium Carbide tap-ping system and process control，and offers a new method to research on thermophysical parameter of materials．KEYWOＲDS Calcium carbide ANSYS thermal analysis MATLAB intelligent algorithm Neural network Genetic algorithm Parameter inversion1引言电石是一种重要的化工基础原料，广泛应用于生产乙炔、有机合成、氧炔焊接和钢铁脱硫等领域，在国民经济发展中具有不可替代的作用。
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
压电陶瓷振动的有限元分析ansys
压电陶瓷振动的有限元分析ansys第⼀章绪论1.1压电材料概述1.1.1压电效应1880年法国物理学家⽪埃尔和雅各居⾥兄弟在研究⽯英晶体的物理性质时发现：当沿着晶⽚的某些⽅向施加作⽤⼒使晶⽚发⽣变形后，晶⽚上相对的两个表⾯会出现等量的正负电荷，电荷的密度与施加的⼒的⼤⼩有关，这种现象称为压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。
压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。
当对压电陶瓷施加⼀个与极化⽅向平⾏的压⼒F，如图1.1（a）所⽰，陶瓷⽚将产⽣压缩变形，⽚内的正、负束缚电荷之间的距离变⼩，极化强度也变⼩。
因此，原来吸附在电极上的⾃由电荷，有⼀部分被释放，⽚内的正、负电荷之间的距离变⼤，极化强度也变⼤，因此电极上⼜吸附⼀部分⾃由电荷⽽出现充电现象。
这种由机械效应转变为电效应的现象就是压电效应。
压电效应包括正压电效应和逆压电效应。
如图所⽰：图1.1 压电效应⽰意图:（a）正压电效应（b）负压电效应正压电效应：当压电晶体在外⼒作⽤下发⽣形变时，在它的某些相对应的⾯上产⽣异号电荷，这种没有电场作⽤，只是由于形变产⽣的极化现象称为正压电效应。
逆压电效应：当压电晶体施加⼀电场时，不仅产⽣了极化，同时还产⽣了形变，这种由电场产⽣形变的现象称为逆压电效应。
1.1.2压电陶瓷的诞⽣与发展具有压电效应性能的陶瓷称为压电陶瓷，1942年美国⿇省理⼯学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流⾼压电场，使其⾃发极化沿电场⽅向择优取向,除去电场后仍能保持⼀定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞⽣了压电陶瓷。
钛酸钡（3BaTiO ）陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从⼀些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，⽽且在压电性能上也有了⼤幅度提⾼。
当今⼴泛应⽤的压电陶瓷是PZT ，即()3,O Ti Zr Pb 压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好。
它是由美国学者B.贾菲等⼈于1954年发现的33PbTiO PbZrO -⼆元系固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（3BaTiO ）陶瓷的两倍。
Cymbal换能器的有限元分析仿真技术研究
图5
Cymbal 换能器-流体 1
结果基本一致。从图 4B 可看出，与端冒接触的
结构不规则，指定与端冒接触的流体单元 FLU
ID29 有一定难度，这里有 2 种方法可以解决。
流体 1 网格单元是不规则的，为保证精度，流体
包绕端冒 2 层为最佳。
B
1
1.1
先选定后指定
首先画出 Cymbal 换能器模型(见图衍，再画
之间加稠合即可O
蝙 d叫 嗣
图7
空腔高度-谐振频 率曲线
图 15
空腔高度-轴向 位移曲线
3.3
A4
Cymbal 换能器性能分析
问翻;:E
依据 Cymbal 换能器端冒的顶部半径及空腔
高度对换能器性能的影响分析结果，设计出最优
的 Cymbal 换能器，并进行其性能的分析。
Cymbal 换能器 1/4 截面图
3.1
Cymbal 换能器端冒顶部半径改变对其性能影晌
3.3.1
模态分析
在 Cymbal 换能器模态分析和谐响应分析的
计算出 Cymbal 换能器的前 3 阶谐振频率。
基础上，进行空腔上半径的改变对换能器第 阶 1
第 1 阶谐振频率是12.89 kHz ，第 2 阶谐振频率是
谐振频率、有效机电稠合系数、机械品质因素及端
能器性能的影响，为优化结构设计及尺寸选择提
供了依据 [24] ，并给出了 2 种流体单元划分的有
效方法。
金属端冒
倍 [1]; 具有较高的灵敏度 O 它主要用在水声换能
器、电声或超声换能器，在压力传感器、加速度传
感器和执行器等领域也具有广泛应用。由于
Cymbal 换能器是由压电陶瓷、环氧树脂和金属端
干涉法测量Cymbal换能器的等效压电常量
干涉法测量Cymbal换能器的等效压电常量黄慧明;欧阳俊;国世上【摘要】在光学平板上用分立光学元件构建了迈克耳孙型分光束干涉仪,利用优化工艺制备的Cymbal 换能器件作为核心单元,利用其在电场下的位移放大作用驱动平面反射镜,引起干涉图样的变化,实现了微位移及Cymbal 换能器件等效压电常量的测定,并进行了非定域干涉图样变化的动态演示.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2010(030)011【总页数】4页(P5-7,11)【关键词】分光束干涉;Cymbal换能器;压电常量;非定域干涉【作者】黄慧明;欧阳俊;国世上【作者单位】武汉大学,物理科学与技术学院,湖北,武汉,430072;武汉大学,物理科学与技术学院,湖北,武汉,430072;武汉大学,物理科学与技术学院,湖北,武汉,430072【正文语种】中文【中图分类】O436.11880年居里兄弟P.Curie与J.Curie发现压电效应(piezoelectric effect).某些晶体在特定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的2个相对表面上出现正负相反的电荷.当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应.当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变.相反,当在晶体的极化方向上施加电场,这些晶体也会发生变形,电场去掉后,其变形随之消失,这种现象称为逆压电效应.具有压电效应的材料除了压电晶体外,还有压电高分子聚合物、压电陶瓷等.压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷,其在机电能量转换、通讯技术和频率控制等许多方面有广泛的应用[1].Cymbal换能器件由在厚度方向极化的压电陶瓷片夹在2个薄的黄铜钹之间构成,每个铜钹的内表面都有平顶锥形内腔.在电场激励下,陶瓷径向收缩,引起铜钹端帽沿轴向运动[2-4],因而能有效放大陶瓷片的轴向位移.这种换能器件具有体积小、质量轻、有较大的动态范围等优点,并且不同于内电极多层压电陶瓷膜执行器和悬臂梁双晶执行器的是,该种换能器件同时具备大位移和中等驱动力的性能,因而可广泛用作不同领域的传感器和执行器,如水声换能器、加速度计、压力传感器、医疗器械等[5-6].在国家自然科学基金(No.59973015)资助下,本课题组进行了Cym bal换能器试验研究,研究了铜钹端帽形状参量和制作工艺对Cymbal换能器位移放大作用以及谐振特性、迟滞系数、响应时间、有效机电耦合系数等性能的的影响.本文在此基础上构成了以优化工艺制备的Cymbal换能器件作为核心单元的迈克耳孙型分光束干涉仪,利用该干涉仪测定了Cymbal换能器件在电场作用下产生的微位移及其等效压电常量,并进行了非定域干涉条纹变化的动态演示.干涉仪结构如图1所示,其由半导体激光器、扩束镜、分光棱镜、两平面反射镜及相关支架组装在光学平板上构成,其中1面平面反射镜后安装有Cymbal换能器单元,半导体激光器和Cymbal换能器由自制的一体化2路输出直流电源驱动,输出到Cym bal换能器的直流电压在0～500 V内线性可调.分立结构的优势在于学生可自己动手布置和调节光路,使学生更好地了解干涉仪的原理和应用;而正方体分光棱镜由于集分光和补偿功能于一体,其采用方便了仪器调整和研究观察.Cymbal换能器件外形及电场作用下的截面形变如图2所示,在电场作用下,陶瓷片本身的轴向位移和径向形变经铜钹端帽转换后得到较大的轴向位移共同组成了Cym bal换能器件的轴向形变,使平面反射镜发生位移,引起2束光的光程差变化,从而引起干涉图样的变化,根据干涉图样的变化即可实现位移及Cymbal换能器件等效压电常量的测定.当以实验室常用的信号源输出低频电信号(如正弦、三角波、方波和脉冲信号)至Cymbal换能器件上时,Cymbal换能器件产生交变的轴向形变驱动该平面反射镜发生交变位移,从而引起非定域干涉条纹的动态变化.图3是上述仪器的光学原理图.半导体激光器发出的激光经扩束镜会聚形成点光源S,光源S发出的光经过分光棱镜 G的半反射面分成强度相同的2束光,光束1经由反射镜M 1反射回来,再次经过分光棱镜 G后射向观测屏 E;同时光束2经过平面反射镜M 2反射,经过分光棱镜G半反面反射后射向观测屏 E,由于2束光是相干光,所以在观测屏E上可观察到干涉现象.如图4所示,点光源发出的光波经半反射面G及平面镜M 1和M 2反射后,相当于由2个相干虚点光源S1和S2发出的球面波.只要观察屏E在2列球面波的重叠区域内,都能看到干涉现象,因此称之为非定域干涉[7-9].虚光源S1和S2间的距离为M 1和M 2′间距离 d的2倍,虚光源S1和S2到屏上任意点 P的光程差为由于 Z≫d,将上式按级数展开,并略去高阶无穷小项,可得:式中θ为S1到 P点光线与法线之间的夹角.可见 d一定时,θ相同的场点,2列光波的光程差相等,所以在垂直于S1和S2连线的观察屏上,干涉图样是1组同心圆环. 当d一定时,θ越小光程差越大,当θ=0时光程差最大,即圆心处的干涉级次最高. 当d增加时,可看到圆环从中心一个个“冒出”;反之当 d减小,圆环向中心一个个缩进“淹没”消失.d每改变λ/2距离,圆心就“冒出”或“淹没”1条条纹.若M 1移动距离为Δd,“冒出”或“淹没”的条纹数为N,则有如图3所示,平面反射镜的位移量即是电场驱动下Cym bal元件的轴向形变量,由陶瓷片本身的轴向位移和陶瓷片的径向形变经端帽转换放大后的轴向位移2部分组成.于是Cym bal元件的等效压电常量为式中U为加在Cym bal元件两极上的驱动电压.将上述组装好的仪器调整到观测状态后,首先在Cym bal元件两极上施加了低频电信号(如正弦、三角波、方波和脉冲信号),观察了非定域干涉条纹的动态变化,并用数码相机拍摄了相关视频,取得了满意的效果,图5为实验中得到的干涉图样之一.断开信号源输出后,将前述自制的直流电源输出端连接到Cymbal元件两极上,测量了22级条纹变化时的驱动电压,并由式(3)计算了Cymbal元件的等效压电常量.实验中λ红=650 nm,N=22,8次测得驱动电压值为U=497.2,497.0,497.0,496.9,497.2,496.8,497.0,496.9 V,¯U=497.0 V.根据实验数据和电压测量所用数字万用表相应量程的准确度,由式(3)和不确定度传递公式计算得Cym bal元件的等效压电常量为本文中Cymbal元件制备采用的是四川压电与声光技术研究所生产的PZT-5压电陶瓷片,其直径为12.5 mm,厚度为1 mm,d33为0.6 nm/V.由上述实验结果可知,Cymbal元件等效压电常量d33eff为PZT-5压电陶瓷片 d33的24倍,充分展现了Cymbal元件较好的位移放大作用.以Cym bal换能器件作为核心单元,由分立光学元件组建了迈克耳孙型分光束干涉仪,动态演示点光源非定域干涉图样变化,测量了Cymbal元件等效压电常量.这些工作有助于学生加深对分光束非定域干涉的物理现象、压电效应及其工程应用等方面的理解,也是将科研成果转化应用到教学方面所作的有益的尝试.【相关文献】[1]钟维烈.铁电物理学[M].北京:科学出版社,1998:366.[2]Tressler J F,New nham R E,HughesW J.Capped ceramic underwater sound p rojector:the Cym bal transducer[J].J.Acoust.Am.,1999,105(2):591-600.[3]Dogan A Y,Uchino K J,New nham R posite piezoelectric transducer w ith truncated conical endcaps Cymbal[J].IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,1997,44(3):597-605.[4]Koc B,Dogan A,Feranadez J F,et al.Accelerometer app lication of themoonie and Cymbal transducers[J].Jpn.J.App l.Phys.,1996,35(8):65-67.[5]Dogan A.Flextensional moonie and cymbal actuators[D].University Park:Pennsylvania State University,1994.[6]Tressl E R J F.Smart ceramic-metal composites fo r active vibration control[D].University Park:Pennsylvania State University,1993.[7]杨俊才,王吉元,丁道一,等.大学物理实验教程[M].长沙:国防科技大学出版社,1994:216-222.[8]李长真,杨明明,欧阳俊,等.大学物理实验教程[M].北京:科学出版社,2009:192-197.[9]李书民,唐军.应用迈克耳孙干涉仪研究压电陶瓷的特性[J].物理实验,2008,28(6):42-43.[10]林仁荣.用激光干涉法测量电致伸缩系数[J].物理实验,2009,29(6):4-7.。
压电驱动器和传感器的ANSYS模拟分析
2 模拟分析
2. 1 问题描述和分析 利用双压电晶片悬臂梁 ( 图 1) 来模拟压电驱 动器和传感器. 该悬臂梁由 2 片长 L 为1 000 mm, 厚 H 为0. 5 mm的压电聚合物聚偏氟乙烯 ( PVDF ) 粘结而成 , 上下 2 层的 PVDF 的极化方向相反 , 上 ( 4) ZBi 1 Bi 2 ; 表面均匀分布着 5 个独立的电极, 下表面接地 . 当进行驱动器模型 ( 逆压电效应 ) 模拟时 , 沿 梁的上表面施加 100 V 的电压 , 观察梁的变形 情
电压 / V 279. 780 156. 630 219. 480
图 3 梁的变形
利用绘图命令可以绘制出各个电极的电压如
48 图 4 所示.
重庆工学院学报
参考文献:
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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。