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:A

1　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,2,1,7

KEYOP T,2,2,0

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDA 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,0

TBDA TA,,1.32e11,7.1e10,7.3e10,,,

TBDA TA,,1.32e11,7.3e10,,,,1.15e11

TBDA TA,,,,,3.0e10,,

TBDA TA,,2.6e10,,2.6e10,,,

MPTEMP,,,,,,,,!定义压电陶瓷的介电常数

MPTEMP,1,0

MPDA TA,PERX,1,,7.124e-9

MPDA TA,PER Y,1,,7.124e-9

MPDA TA,PERZ,1,,5.841e-9

TB,PIEZ,1,,,0!定义压电陶瓷的压电系数

TBMODIF,1,1,

TBMODIF,1,2,

TBMODIF,1,3,-4.1

TBMODIF,2,1,

TBMODIF,2,2,

TBMODIF,2,3,-4.1

TBMODIF,3,1,

TBMODIF,3,2,

TBMODIF,3,3,14.1

TBMODIF,4,1,

TBMODIF,4,2,

TBMODIF,4,3,

TBMODIF,5,1,

TBMODIF,5,2,10.5

TBMODIF,5,3,

TBMODIF,6,1,10.5

TBMODIF,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.