ANSYS压电分析
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
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。
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
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
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
（ 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
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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的压电堆执行器仿真分析
基于ANSYS的压电堆执行器仿真分析ANSYS是一种广泛应用于工程领域的仿真分析软件，其中包括压电堆执行器仿真分析。
这篇文章将介绍如何使用ANSYS对压电堆执行器进行仿真分析。
压电堆执行器是一种能够将电能转换为机械能的设备，它利用压电效应来实现这一转换。
压电材料在某些条件下可以产生电场，这个电场的方向与施加在压电材料上的压力方向相反。
利用这个效应，可以将电能转换成机械能。
首先，在ANSYS中创建一个仿真模型。
在这个模型中，需要建立一个三维模型来表示压电堆执行器的结构。
使用ANSYS中的建模工具可以轻松地建立模型。
同时，还需要为模型指定材料属性和物理特性，这些属性直接影响到仿真结果的准确性。
接下来，将应用一些压力或电场力对压电堆执行器的模型进行初始加载。
这些加载可以用来模仿实际工作条件下的压力或电场。
在压电堆执行器的实际工作中，通常需要对其进行精确的控制，这就需要对其响应进行仿真分析。
基于加载的压力或电场，ANSYS将生成结构的初始形状。
然后，可以对这个初始形状施加额外的加载，比如在压电堆执行器上施加更强的电场或扭矩。
这样，将会生成一个新的形状，并在ANSYS中报告出相应结果。
当进行仿真分析时，ANSYS可以生成各种类型的图形和图像，以帮助工程师更好地理解和解释结果。
这些结果可以帮助开发人员优化设计并确认执行器的性能。
在结果处理的过程中，可以对不同方面的结果进行分析，比如力学应力、变形等。
可以运用ANSYS的高级分析工具，包括热力学和电气气动学来进一步优化设计。
综上所述，ANSYS是一种强大的分析工具，可以用于压电堆执行器仿真分析。
通过创建一个三维模型，施加加载并对结果进行分析，可以帮助工程师更好地理解执行器的性能，从而优化设计。
除了在ANSYS中进行初始建模和仿真分析外，还可以使用该软件进行优化设计。
在压电堆执行器优化设计过程中，工程师可以使用ANSYS中的优化器来寻找最佳参数组合。
通过改变不同参数，比如材料类型、厚度等，可以调整执行器的性能。
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。
ANSYS压电分析
A N S Y S压电分析-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN压电分析是一种结构—电场耦合分析，压电效应是石英和陶瓷等压电材料的自然属性。
给压电材料加电压会产生位移，反之使压电材料振动则产生电压。
一个典型的压电分析的应用是压力换能器。
ANSYS压电分析类型（仅在ANSYS Multiphysics或ANSYS Mechanical产品中）有静态、模态、预应力模态、谐响应、预应力谐响应和瞬态分析。
压电分析需要用下列单元类型之一：PLANE13，KEYOPT（1）=7，耦合场四边形单元；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；PLANE223，KEYOPT（1）=1001，耦合场8节点四边形单元；SOLID226，KEYOPT（1）=1001，耦合场20节点六面体单元；SOLID227，KEYOPT（1）=1001，耦合场10节点四面体单元；KEYOPT选项激活压电自由度、位移和电压。
对于SOLID5和SOLID98，设置KEYOPT（1）=3激活压电仅有选项。
通过使用NLGEOM、SSTIF和PSTRE S命令，KEYOPT选项可用于大变形和大应变的影响。
对于PLANE13单元，大变形和大应变在KEYOPT（1）=7时有效。
对于SOLID5和SOLID98单元，大变形和大应变在KEYOPT（1）=3时有效，小变形和小应变在KEYOPT（1）=0时有效。
自动求解控制对于压电分析是无效的，SOLCONTROL 缺省设置仅对纯结构或纯热分析是有效的。
对于大变形压电分析，必须使用非线性求解命令指定设置。
1.? ? 注意要点分析可以是静态、模态、预应力模态、谐响应、预应力谐响应和瞬态分析。
应注意以下要点：（1）对于模态分析，推荐使用Block Lanczos法（缺省）求解。
（2）对静态、全谐响应或全瞬态分析，选用稀疏矩阵（SPARSE）求解器或Jacobi共轭梯度（JCG）求解器。
压电阻抗ANSYS程序
压电陶瓷阻抗分析ANSYS 程序阻抗概念简介 大家都知道直流电路中，欧姆定律中定义的电阻R V I=，电阻的含义代表对电流的阻碍作用。
随着学习的深入，我们知道电压不仅仅有直流电压，更多存在的是交流电压，比如家用电压220V~，变压器等等。
图1一般交流电压有幅值，频率，相位这些参数，如果用实数表示就是00cos()m t v V V ωϕ+=+ (1) v 代表任意时刻的电压，0V 代表偏置，m V 代表幅值，2f ωπ=代表角频率与频率有关，0ϕ为初始相位。
随着学习继续深入，有出现了用虚数表示电压00jwt m v V V e ϕ+=+ (2) 其实如果只要将(2)式中实部取出来，虚部不用管，就和(1)一样了。
既然(2)比(1)还要复杂，为什么还要用复数表示交流电压呢，其实这是因为复数的运算要比实数要简单许多许多。
比如将两个交流电相乘（实际中可以用电子电路中乘法器实现），复数的相乘：只要将幅角相加就行了，实数就要复杂很多。
到此，我们知道了为什么要复数表示阻抗，而任何一个复数都可以用实部和虚部表示：Z R jX =+(3)实部和虚部到底有什么含义呢，很多教科书说实部就是电阻，虚部是由电容产生的容抗和电感产生的感抗组成的。
但大家看完这些介绍依然是云里雾里，太抽象，难以理解。
实际上对于阻抗的理解就直接把其理解为电阻，阻抗就是用来阻碍电流的，比如如果我们要在1V电压施加下获得1A电流，那么我们找1Ω电阻和绝对值为1Ω的阻抗是一样的。
但是用阻抗有个优点，阻抗的虚部是复数，复数不会做功不会产生能量消耗，虽然1Ω的电阻和1Ω的阻抗都能获得1A的电流，但是阻抗由于有虚部因此消耗的能量要少，如果阻抗虚部设计的大一些，实部设计的小一些，这对于节约功耗具有无比重要的意义！注意以上讨论的前提是交流电。
ANSYS获得压电阻抗ANSYS中要输入压电单元的参数，当然自己可以慢慢用GUI输入，也可以用命令流输入，其实最简单的方法就是从网上找一个别人论文中的PZT压电参数直接用File->readinputfrom..命令读取就行了，这里将参数贴在附录A.下面开始建立模型，从最简单的板开始入手。
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。
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压电换能器是一种将电能和机械能相互转换的装置，其原理是利用压电效应将机械应力转化为电荷或电位差，或将电场作用下产生的应变引起物体发生位移。
压电换能器在自动化控制、传感器、电能转换和储能装置等领域中有广泛的应用。
为了分析压电换能器的工作特性和性能，我选择使用ANSYS软件进行研究。
ANSYS是一种强大的有限元分析软件，可以对结构、固体力学、流体力学等领域进行模拟和分析，适用于各种复杂的物理现象和工程问题。
首先，我们需要建立压电换能器的几何模型。
在ANSYS中，可以通过几何建模工具创建三维模型，包括导入现有几何模型、绘制几何、创建参数化模型等方法。
我们可以按照实际的压电换能器尺寸和形状进行创建，或者通过参数化建模来进行优化设计。
建立几何模型后，需要将其进行网格划分，转化为有限元模型。
这可以通过ANSYS中的网格划分工具来完成，可以选择适合问题特性的网格划分方法，如结构网格、四面体网格、六面体网格等。
合适的网格划分可以更好地保证计算结果的准确性和稳定性。
接下来，需要定义材料的物性参数和边界条件。
在ANSYS中，可以设定材料的压电系数、弹性系数、密度等参数，并选择适合的材料模型。
例如，对于压电材料，可以选择线性压电模型或非线性压电模型。
同时，还需要设置边界条件，如施加的电压或电荷，施加的外力或位移等。
在定义完初始条件后，可以进行仿真计算并分析结果。
ANSYS提供了各种求解器和分析工具，可以得到压电换能器的电位差、电荷、应变、位移等物理量的变化规律。
可以通过改变输入条件或改变材料参数来研究其对压电换能器性能的影响，进而优化设计。
除了静态分析，ANSYS还可以进行动态分析，模拟压电换能器在不同频率和振幅下的工作特性。
可以通过ANSYS中的谐振分析、模态分析等工具来获取压电换能器的固有频率、模态形状及模态质量等信息。
最后，在完成仿真计算后，可以根据分析结果进行结果评估和后处理。
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⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=E E E E E E E E E E E E E E E E E E E EE Ec c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c C 665655464544363534332625242322161514131211对称⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=636261535251434241333231232221131211e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=SS S S 332211εεεε 注意！一般顺序为：XX ，YY ，ZZ ，YZ ，XZ ，XY 。
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。
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。
基于ANSYS的矩形压电振子瞬态特性分析
孽ｉ积分方法求解结构和其他二阶系统方程。 差分方法 替换 。 ；用于求解显示的瞬态分析； 牛顿法用于隐式瞬态问 根据 辛凯维 奇理 论 ， 用式 （ ） 式 （ ） 利 ２和 ３ 得到 牛
ｉ题的求解 。由于振子压电陶瓷机电耦合瞬态分析过 顿法求解的无条件稳定必须满足 ：
皇；程中， 涉及到 材料非线性、 压电 振子与转子接触非线
｛ ｝ “｝ 。 ， 。 ＝｛。 ＝｛ 。 ≠ 通过 Ｉ ！ ｕ ｛。 ｛ ｝ ｛ ｝ ｝ ｕ ｝ ０ 。 ｃ
命令输入或在瞬态本身开始之前执行一个静态分析 ｉ
载荷步 。进行瞬态分析 中的静载荷步时要关闭瞬态 ！
｛ １ ：（ 一Ｏ ） ｕ＋｝＋（ ｛ ｕ＋ ｝ １ ｔ ｛ １ ｉ “ ｝ 一 ｍ Ｘ 时间积分的影响 ， 结束静载荷分析后会 自动开启 时 间积分 的影 响 。瞬态 时间积 分 的影 响 默认 形 式是开
ｉ０ 引 言
ｉ
１ １牛顿法 理论 介绍 ．
对 于 非线 性 问题 ， Ｎ Ｙ Ａ Ｓ Ｓ用 中心差 分 方法 整合 运动方 程 。牛顿 法 使 用 有 限 差 分 法 ， ｔ ｔ 时 在 到
间 间隔 内 ， ： 有
ｉ
起动 和关 断瞬 态过程所 表 现的特 性是评 价超声
饭 持电棚 ２２ ． 卷 ３ 一 ｌ！第 ０ 第 ． 期 ＿ … ０ 年 ４妻曼 ＾ ． …
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。
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压电分析是一种结构—电场耦合分析，压电效应是石英和陶瓷等压电材料的自然属性。
给压电材料加电压会产生位移，反之使压电材料振动则产生电压。
一个典型的压电分析的应用是压力换能器。
ANSYS压电分析类型（仅在ANSYS Multiphysics或ANSYS Mechanical产品中）有静态、模态、预应力模态、谐响应、预应力谐响应和瞬态分析。
压电分析需要用下列单元类型之一：PLANE13，KEYOPT（1）=7，耦合场四边形单元；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；PLANE223，KEYOPT（1）=1001，耦合场8节点四边形单元；SOLID226，KEYOPT（1）=1001，耦合场20节点六面体单元；SOLID227，KEYOPT（1）=1001，耦合场10节点四面体单元；KEYOPT选项激活压电自由度、位移和电压。
对于SOLID5和SOLID98，设置KEYOPT（1）=3激活压电仅有选项。
通过使用NLGEOM、SSTI F和PSTRES命令，KEYOPT选项可用于大变形和大应变的影响。
对于PLANE13单元，大变形和大应变在KEYOPT（1）=7时有效。
对于SOL ID5和SOLID98单元，大变形和大应变在KEYOPT（1）=3时有效，小变形和小应变在KEYOPT（1）=0时有效。
自动求解控制对于压电分析是无效的，SOLCONTROL缺省设置仅对纯结构或纯热分析是有效的。
对于大变形压电分析，必须使用非线性求解命令指定设置。
1. 注意要点分析可以是静态、模态、预应力模态、谐响应、预应力谐响应和瞬态分析。
应注意以下要点：（1）对于模态分析，推荐使用Block Lanczos法（缺省）求解。
（2）对静态、全谐响应或全瞬态分析，选用稀疏矩阵（SPARSE）求解器或Jacobi共轭梯度（JCG）求解器。
对静态和全瞬态分析SPARSE法是缺省求解器。
（3）对瞬态分析，用TINTP命令指定ALPHA=0.25、DELTA=0.5和THETA=0.5。
（4）预应力谐响应分析仅能用于小变形分析。
（5）对PLANE13、SOLID5和SOLID98，VOLT自由度的力标志是AMPS。
对PLANE223、SOLID226和SOLID227，VOLT自由度的力标志是CHRG，在F、CNVTOL、RFORCE等命令中使用这些标志。
（6）对压电电路分析，使用CIRCU94单元（7）使用介电损耗正切属性模拟介电损耗仅对PLANE223、SOLID226和SOLID227有效。
/POST1*GET,QT,NODE,NTOP,RF,CHRG ! GET TOTAL CHARGE ON TOP ELECTRODECP=ABS(QT) ! CAPACITANCE CP=Q/V, WHERE V=1VEPZ0=8.854E-12 ! FREE SPACE PERMITTIVITYPI=3.1415 ! PI CONSTANTC=EP33*EPZ0*PI*A**2/T ! ANALYTICAL CAPACITANCE/COM, 2-D CAPACITANCE (ANALYTICAL) =%C%, F/COM, 2-D CAPACITANCE (ANSYS) = %CP%, FFINI/COM, ---------------------------------------------------------------/COM, FINITE ELEMENT MODEL OF RLC-CIRCUIT/COM, ---------------------------------------------------------------/PREP7DDELE,NTOP,VOLT ! DELETE VOLTAGE LOAD ON TOP ELECTRODEET,2,CIRCU94,0 ! DEFINE A RESISTORR=3000 ! RESISTANCE, OHMR,1,RN,1TYPE,2REAL,1E,1,NTOPET,3,CIRCU94,1 ! DEFINE AN INDUCTORL=15 ! INDUCTANCE, HR,2,LN,2TYPE,3REAL,2E,2,1ET,4,CIRCU94,4 ! DEFINE A VOLTAGE SOURCEV=1 ! VOLTAGE LOAD, VR,3,VN,3TYPE,4REAL,3E,2,NBOT,3FINI/SOLUANTYPE,TRANS ! TRANSIENT ANALYSISNSUB,100 ! NUMBER OF TIME STEPSTIME,2E-3 ! ANAL YSIS TIME, STINTP,,0.25,0.5,0.5 ! INTEGRATION PARAMETERS FOR A PIEZOELECTRIC ANALYSIS OUTRES,ALL,ALLSOLVEFINI/GOPR/COM, ANAL YTICAL SOLUTION:/COM, V_C = 1-EXP(-D*T)*COS(B*T)-D/B*EXP(-D*T)*SIN(B*T)/COM, WHERE:D=R/(2*L)B=SQRT(1/(L*C)-D**2)/NOPR/POST26NUMV AR,20NSOL,2,NTOP,VOLT,,V_C_ANSYS! DERIVE EXACT SOLUTION*DIM,WORK1,ARRAY,100*DIM,WORK2,ARRAY,100FILLDATA,3,,,,1 ! 1EXP,4,1,,,,,,-D,-1 ! -EXP(-D*T)PROD,5,1,,,,,,B ! B*TVGET,WORK1(1),5*VFUN,WORK2(1),COS,WORK1(1)VPUT,WORK2(1),6 ! COS(B*T)*VFUN,WORK2(1),SIN,WORK1(1)VPUT,WORK2(1),7 ! SIN(B*T)ADD,8,6,7,,,,,,D/B ! COS(B*T) + D/B*SIN(B*T)PROD,9,4,8 ! -EXP(-D*T)*[COS(B*T) + D/B*SIN(B*T)]ADD,10,3,9,,V_C_EXACT ! 1-EXP(-D*T)*[COS(B*T) + D/B*SIN(B*T)]! PRINT AND PLOT ANSYS AND EXACT VOLTAGE ACROSS THE PZT CAPACITORPRV AR,2,10PLV AR,2,10/NOPR*DIM,VCE,ARRAY,5 ! EXACT SOLUTION FOR RESULTS TABLE*DIM,VCA,ARRAY,5 ! ANSYS SOLUTION FOR RESULTS TABLE*GET,VCE(1),V ARI,10,RTIME,0.18E-3*GET,VCE(2),V ARI,10,RTIME,0.40E-3*GET,VCE(3),V ARI,10,RTIME,0.88E-3*GET,VCE(4),V ARI,10,RTIME,0.13E-2*GET,VCE(5),V ARI,10,RTIME,0.186E-2*GET,VCA(1),V ARI,2,RTIME,0.18E-3*GET,VCA(2),V ARI,2,RTIME,0.40E-3*GET,VCA(3),V ARI,2,RTIME,0.88E-3*GET,VCA(4),V ARI,2,RTIME,0.13E-2*GET,VCA(5),V ARI,2,RTIME,0.186E-2*DIM,LABEL,CHAR,5*DIM,V ALUE,,5,3LABEL(1) = '1.8E-2s','4.0E-2s','8.8E-2s','1.3E-1s','1.86E-1s'*VFILL,V ALUE(1,1),DATA,VCE(1),VCE(2),VCE(3),VCE(4),VCE(5)*VFILL,V ALUE(1,2),DATA,VCA(1),VCA(2),VCA(3),VCA(4),VCA(5)*VFILL,V ALUE(1,3),DATA,ABS(VCA(1)/VCE(1)),ABS(VCA(2)/VCE(2)),ABS(VCA(3)/VCE(3)), ABS(VCA(4)/VCE(4)),ABS(VCA(5)/VCE(5))/OUT,vm237,vrt/COM/COM,------------------- VM237 RESULTS COMPARISON ---------------------/COM,/COM, | TARGET | ANSYS | RATIO/COM,/COM, VC for t @ .../COM*VWRITE,LABEL(1),V ALUE(1,1),V ALUE(1,2),V ALUE(1,3)(1X,A8,' ',F12.4,' ',F12.4,' ',1F5.3)/COM,----------------------------------------------------------------/OUTFINI。