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EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEcccccccccccccccccccccC665655464544363534332625242322161514131211对称636261535251434241333231232221131211eeeeeeeeeeeeeeeeeeeSSSS332211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。结构参数1r2r3rhjtytdt对应值10mm17mm20mm10mm0.5mm0.5mm3mm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－》ChangeDirectory…,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－》ChangeTitle…，出现对话框，输入‘daocheqiAnalysis’作为标题。点击ok。（5）保存db（数据库文件）文件：File－》Saveas,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－》ElementType－》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Brick8node45，点击Apply键，选定了一种Solid45单元。继续点击框图左边CoupledField,选择右边框图中ScalarBrick5，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-Saveas,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3/2790mkg，杨氏模量210/1015.7mNE，泊松比34.0。压电陶瓷PZT5的材料参数：（ANSYS输入参数）密度37750/kgm刚度矩阵（也可输入柔顺矩阵）210/1011.200000011.200000026.20000001.1152.752.700052.71.1254.700052.754.71.12mNCE压电应力常数矩阵2/0008.154.54.503.1200003.1200000mce介电常数矩阵830916916S也可输入绝对值mFmFS/10735.0000811.0000811.0/10854.8830000916000916812（1）输入黄铜材料参数：主菜单栏－》Preprocessor-MaterialProps－》MaterialModels,出现对话框，点击左边MaterialModelNumber1,点击右边Favorites－》LinearStatic—》Density，出现密度对话框，输入密度2790，点击ok。同样继续点击LinearIsotropic（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‘DefineMaterialModelBehavior’的菜单Material－》NewModel…，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MaterialModelNumber2,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—》RelativePermittivity－》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—》Piezoelectricmatrix,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－》InActiceCS，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－》StraightLine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－》ByLines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－》AboutAxis,出现一个对话框，点击PickAll,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PickAll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－》MeshAttributes－》PickedVolumes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1SOLID45（2）指定压电材料的单元及材料属性：主菜单栏－》Preprocessor－》Meshing－》MeshAttributes－》PickedVolumes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2SOLID5（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－》SizeCntrls－》ManualSize－》Lines－》PickedLines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。（为了采用6面体划分体积单元，注意几个划分10格的线段划分时要求单元数目一致，当然这些线段也可以划分成10格，但要一致）10.划分体积单元主菜单－》Preprocessor－》Meshing－》Mesh－》Volumes－》Mapped－》4to6sided我们采用6面体单元划分体，这样我们划分的网格大小就比较‘整