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。

结构尺寸如图所示。

弯曲式换能器由压电陶瓷，‘金属壳’粘结而成，粘结材料为环氧树脂。

由于粘结层为一薄层，建模的时候可以忽略。

本例中‘金属壳’材料采用铝，压电材料选择压电陶瓷PZT5。

二：建立模型1．指定工作空间，设定分析作业名和标题（1）首先建立一个文件夹用于当前分析，如D:\ANSYSfiles ，路径当中不允许有中文出现。

（2）启动ANSYS9.0软件，界面如下图，界面包括实用菜单，命令输入窗口，ANSYS工具栏，主菜单栏，图形窗口，图形调整工具栏，标准工具栏。

（3）指定工作空间：实用菜单－》File－》Change Directory… ,出现对话框，选择刚才建立的目录D:\ANSYSfiles，以后操作生成的文件都在此文件夹下。

（4）设定标题：实用菜单－》File－》Change Title…，出现对话框，输入‘daocheqi Analysis ’作为标题。

点击ok。

（5）保存db（数据库文件）文件：File－》Save as ,出现对话框，保存文件名为title.db。

（6）定义单位：在ANSYS主界面输入窗口输入“/UNITS，Label”其中，Label 指定单位制标签有：USER：用户自定义单位系统。

SI：国际单位，即MKS单位。

CGS：CGS单位系统，即cm,g,s,c 等。

MPA：MPA单位系统，即mm,Kg,s,c 等。

BFT ：用英尺的单位系统，即ft,slug,s, F等。

BIN ：用英寸的单位系统，即in,lbm,s, F等。

一般采用国际单位：即 然后按Enter 即可。

如果不改变单位制，以后默认。

2．定义单元类型金属壳采用Solid45 单元，压电陶瓷采用Solid5 单元。

Solid45为结构单元里面的三维块模型单元。

Solid5为三维耦合场单元，因为压电陶瓷涉及到电－力耦合问题，因此采用此单元类型。

(1）主菜单栏－》Preprocessor －》Element Type －》Add/Edit/Delete , 出现对话框，点击Add …键，出现对话框，点击框图左边Solid , 选择右边框图中Brick 8node 45，点击Apply 键，选定了一种Solid45单元。

继续点击框图左边Coupled Field , 选择右边框图中Scalar Brick 5，选定了Solid5单元，点击ok 键。

从对话框中可以看出我们已经定义了solid45和solid5两种单元类型。

点击close 键关闭窗口。

（2）保存文件：File- Save as ,出现对话框，保存文件名为 element.db3．定义材料参数查阅材料手册我们可以得到如下材料参数。

铝材料参数：密度3/2790m kg =ρ，杨氏模量210/1015.7m N E ⨯=，泊松比34.0=σ。

压电陶瓷PZT5的材料参数：（ANSYS 输入参数） 密度37750/kg m ρ=刚度矩阵（也可输入柔顺矩阵） 压电应力常数矩阵 介电常数矩阵 也可输入绝对值（1） 输入黄铜材料参数：主菜单栏－》Preprocessor->>Material Props －》Material Models ,出现对话框，点击左边Material Model Number 1 ,点击右边Favorites －》Linear Static —》Density ，出现密度对话框，输入密度2790，点击ok 。

同样继续点击Linear Isotropic （线性各项同性）输入泊松比和杨氏模量。

输入7.15e10和0.34，点击ok 。

（2）输入PZT5材料参数：定义完一种材料参数之后要定义第二中材料，选择对话框‘Define Material Model Behavior’ 的菜单Material －》New Model …，出现对话框，材料添2（默认值也是2），点击ok 。

定义第二中材料，首先定义PZT5 的密度。

如图点击左边Material Model Number 2 ,点击右边Structural —》Density ，输入7750，点击ok 。

定义刚度矩阵，点击右边Structural —》Linear －》Elastic －》Anisotropic,输入参数 D11=12.1e10，D12=7.54e10，D13=7.52e10，D22=12.1e10，D23=7.52e10，D33=11.1e10，D44=2.26e10，D55=2.11e10，D66=2.11e10定义介电常数矩阵，点击右边Electromagnetics —》Relative Permittivity －》Orthotropic,输入参数PERX=8.11e-9 ,PERY=8.11e-9 ,PZRZ=7.35e-9定义压电矩阵：点击右边Piezoelectrics—》Piezoelectric matrix,输入如下图（3）保存文件matiral.db。

4．建立关键点（1）首先在草稿纸上画出几何模型，指定好关键点的编号以及结构尺寸。

主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Create－》Keypoints－》In Actice CS，出现对话框如下图，根据指定好的编号即结构尺寸输入坐标。

（注意，由于最后要转换到柱坐标系下分析，所以y即为旋转方向）输入坐标为：1 (0, 0, 0)2 (0, 0, 0.5e-3)3 (0, 0, 1.0e-3)4 (10e-3, 0,0)5 (10e-3, 0, 0.5e-3)6 (10e-3, 0, 1.0e-3)7 (17e-3, 0, 0)8 (17e-3, 0, 0.5e-3,)9 (20e-3, 0, 0)10 (20e-3, 0, 0.5e-3)11 (20e-3, 0, 10.5e-3)12 (20e-3, 0, 13.5e-3)13 (17e-3, 0, 10.5e-3)14 (17e-3, 0, 13.5e-3)15 (0, 0, 10.5e-3)16 (0, 0, 13.5e-3)输入完之后我们可以看到图形窗口中我们所定义的关键点（2）保存文件：keypoints.db5. 把关键点连成线主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Create－》lines－》Straight Line通过鼠标选取两个关键点就可以生成一条线，如此操作，把所有的线都连好，点击ok。

保存文件：line.db6.把线段围成面主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Create－》Areas－》By Lines通过鼠标顺时针（逆时针）方向选择线段围成一个面积，如此操作，把所有的线都围成面。

保存文件：area.db7. 旋转生成体积，并粘接（1）主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Operate－》Extrude－》Areas－》About Axis, 出现一个对话框，点击Pick All , 表示全部面都要旋转。

之后又出现对话框，要求选择旋转轴，通过鼠标选择Z轴上的两个点，比如第1，3两个点，点击ok，出现对话框，要求说明旋转的度数，这里选择30度模型，输入30。

点击ok，。

生成如下图的体。

（2）粘接各部分体积：主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Operate－》Boolean－》Glue－》Volumes，出现对话框，要求选择要粘接的体积，这里选择Pick All 表示所有体积都粘在一起。

（3）保存文件：volume.db8．指定各部分单元类型以及材料属性（1）指定金属壳的单元及材料属性：主菜单栏－》Preprocessor－》Meshing－》Mesh Attributes －》Picked Volumes用鼠标点中金属壳的体积单元出现对话框，材料参数选择1，单元类型选择1 SOLID45（2）指定压电材料的单元及材料属性：主菜单栏－》Preprocessor－》Meshing－》Mesh Attributes－》Picked Volumes用鼠标点中压电材料的体积单元出现对话框，材料参数选择2，单元类型选择2 SOLID5（3）点击ok ，保存文件material.db9 .划分线段为了网格单元数可以控制，我们采用手动划分网格，而不采用自动网格划分。

（1）首先对‘线段’划分，由于体积图看不清一些线的位置，先显示线段图，实用菜单－》Plot－》Lines(2) 主菜单－》Preprocessor－》Meshing－》Size Cntrls－》ManualSize－》Lines－》Picked Lines选择这些线段，（比如压电片连同金属壳在压电片半径内划分为4单元），出现对话框，划分单元数填4，表示这些线段都划分为4个单元，点击ok，采用相同的方法划分其他线段的单元数目。