超声换能器及超声波传播仿真软件PZFlex

PZFlex软件简介
PZFlex 是专为压电和超声应用而开发的全球领先
的波传播软件包。

经过二十年的开发，我们完善了PZFlex 的功能，使得我们能够为换能器、超声成像和无损检测的设计开发提供完整的解决方案。

PZFlex 与声纳、医学成像和无损检测研究结构紧密合作，并获
得大量的数据验证，它可以帮助你快速而经济地克服研发中遇到的技术难题。

PZFlex 的开发源至于美国政府的大规模超声、次声波仿真项目(Flex Code)，是为了应对全面禁止核试验条约的限制而开发的核爆计算机模拟代码。

PZFlex 采用了大量的先进理论、算法和并行技术，可用于求解数千万单元的模型。

在过去的10年里，医疗诊断超声波设备的辅助开发一直是
PZFlex 的重点，在1999年，SPFlex 模块的开发成功更加促进了超声治疗行业的发展，PZFlex 实现了对穿透不同介质，例如：空气、水、弹性材料、非线性生物组织、复合材料和各向异性材料的超声波的精确建模。

现在的PZFlex 展现给您的是更加全面、强大的功能，它也正被快速地拓展到更广泛的行业应用中，从换能器声头设计到各种超声应用。

PZFlex 采用基于有限元的时域显式积分方法，同时具备显式‐隐式求解器。

PZFlex 采用了最新的并行计算技术。

PZFlex 计算模型可以是2‐D 平面应变，2‐D 轴对称（柱坐标系下），或者3‐D 。

PZFlex 的材料模型可以是个各向同性弹性材料、各向异性弹性材料、压电材料、非线性材料、粘弹性材料、瑞利阻尼及牛顿粘度模型。

在材料
模型中纵向体积弹性模量和横向剪切阻尼也可以指定。

通常情况下，PZFlex 在普通PC 机上计算2‐D 模型（10000单元），用时不到一分钟时间，计算3‐D （数百万单元）也仅需几个小时。

PZFlex 采用了all ‐in ‐memory 算法，计算模型规模的限制仅仅取决于计算机内存的大小。

PZFlex 的输出包括时间历程或场变量快照，例如电压、电荷、位移、速度、压强、应力、
PZFlex 在计算的同时同步存储计算数据，以
便后续的后处理调用。

不同场的输出数据结构都是非常简单的，因此用户可以非常容易地进行
超声换能器及超声波传播仿真软件--PZFlex ®
现场数据处理
PZFlex计算效率很高，与其他的有限元软件相比，用户可在普通PC机上实现超大规模模型的计算。

PZFlex拥有广泛的单元类型，拥有分析压电材料、电致伸缩、磁
致伸缩材料、以及超声应用中的流体、弹性体、各向同性/各向异性
材料、复合材料以及非线性生物组织的能力。

PZFlex附加模块还支持
非线性静电分析。

通过与全球的主要生物医学、工业领域和海军的多
年紧密合作，建立了起了完善的分析包和专业的数据后处理工具。

PZFlex可以在绝大多数的硬件平台上运行，包括普通PC机、工作站和计算集群设备。

PZFlex为设计师和工程研发、检测工程师提供了功能强大的工具，帮助他们快速而高效地分析、优化现有的设计和应用方案。

最新版的PZFlex提升了核心求解模块的并行计算能力，包括：声辐射力, 热冲击、介电损
耗、体积计算，简化的模型弯曲和几何分配、多重驱动功能，和其他
用户所需的模型。

并且所有PZFlex版本均提供了与三维设计软件
SolidWorks的无缝界面, PZFlex用户可以直接读取SolidWorks的设计文
件。

注：SolidWorks是全球最流行的三维CAD/CAM软件包之一。

PZFlex在超声领域拥有广泛的应用，比如超声换能器设计、模态
振型、谐响应、声/电阻抗匹配和各种参数优化，以及超声波传播模拟、
无损检测缺陷评估、测量结果量化与校准、超声诊断和成像模拟、超
声治疗模拟、大型结构噪音和振动控制模拟、石油测井模拟、地震波
模拟、声纳模拟等。

现在，PZFlex已经被美国、日本、欧洲超声研究
和应用单位的广泛应用。

PZFlex目前也在中国获得了相当的应用。

PZFlex特色介绍
技术特点
采用显式有限元算法，专门为压电和超声波的传波而开发的，并提供
了长程波的传播模拟和结构热计算能力。

提供了所有标准的复合换能器设
计要求的输出和技术验证。

PZFlex求解功能
PZFlex求解功能包括：
1. 任意复杂换能器的代码建模、向导建模和SolidWorks建模，支持预置
及自定义激励波型模拟
2. 包括电极、匹配、背衬、电路在内的完整的2‐D和3‐D换能器模型
3. 等同于实验手段的真实时域有限元和结构有限元方法、仿真与实验数据直接对比
4. 使用部分吸收或者完全吸收边界条件模拟“无限大”介质，可设置非等半径吸收边界。

5. 超声波在固体、流体和生物材料中的吸收/阻尼/衰减(随频率变化)
6. 机械振动和参数优化研究
7. 通过FFT后处理器绘制计算瞬态响应分析中的阻抗或导纳图
8. 支持材料参数线性、非线性变化
9. 稳态响应和场的时域分析
10. 超声波传播建模、计算声场、位移、应力应变、热和损耗问题
11. 超声波在软/硬质生物组织中的相互作用
12. 超声波在弹性和声学材料中吸收和衰减
13. 医疗超声、无损检测在非线性生物组织模型（B/A)成像模拟
14. 超声换能器匹配、背衬、匹配电路设计与仿真
15. 医学治疗用高能超声声场聚焦、热及温度场分析
16. 基于波动方程的波场外推获得指向性，远场波形和平面波回波脉冲分析
17. 瞬态或稳态波动现象
PZFlex应用特点
●超大大规模三维建模能力
●模拟数百万单元的大型换能器阵列
●可用于求解压电材料、单晶和复合材料换能器
●用于换能器电子电路匹配和线束设计
●一次计算获得导纳和阻抗、声束指向性和发射电压响应、脉冲回波
模拟
●对压电材料建模与超声系统能够进行高速建模并保证精度
●极广的求解能力，包括静电、热和电致伸缩
●在医用超声换能器、海军声纳和成像系统、微电子机械系统、传感
器以及无损检测方面的数值模拟和实验校正
●有长达几十年的经验，从医疗、工业探伤到气穴现象都能模拟
●诊断超声波‐入射、反射和频率衰减
●治疗超声波‐高能、非线性传播与热效应
●噪声与振动控制：智能机械
●支持大规模并行计算、All‐in‐Memory算法，用于大规模计算
●支持Windows x86、64bit和Linux 32和64位平台
PZFlex 程序及模块
PZFlex根据用户需求的不同，内建了不同的模块：
◆PZFlex Professional 器件仿真模块，用于中等规模器件仿真分析；
◆Electrostatic (CMUT) module 电容式换能器模块，器件设计模块；
◆SpectralFlex module 大规模超声波传播仿真模块(100λ波长以上)；
PZFlex Professional换能器设计及超声波仿真模块
用于设计声波传播、压电及声学应用的软件包，使用显式时域方法，用于求解复杂一维、二维、三维波传播问题，可用于模拟压电材料、声场流体、各向同性，各向异性材料、非线性生物组织。

丰富的压电及声波传播求解能力、并具备完善的后处理工具，拥有丰富的行业应用经验。

技术参数：
◆全面的二维/三维求解器
◆显式/隐式算法高频换能器振型分析结果
◆丰富的材料库，压电、各向同性、各向异性、固体、复合材料等
◆热和热/固耦合求解器
◆匹配电路设计能力，包括，电阻、电感、电容等电路匹配
◆丰富的后处理能力，方便地生成导纳曲线、TVR、Beam Profile
等
◆丰富的流体边界设定能力、包括辐射、散射、吸收边界等
SpectralFlex 大规模超声波传播仿真模块
专用于模拟大规模声波传播的软件，广泛地应用于求解长时间历程波传播模拟(100λ以上)，具有丰富的求解能力，全面的物性参数、边界设定能力。

技术参数：
◆长程超声波求解能力
◆大规模求解能力
◆ 显式算法
◆ 各向异性、各向同性介质中传播模拟 ◆
丰富的无损探测、声波探测应用能力
Electrostatic (CMUT)电容式超声换能器设计模块
由于器件原理不同，CMUT 是PZFlex 开发的专 用于模拟cMUT (capacitive micromachined ultrasonic
transducers) 问题的模块，用于解决器件的静电力和大变形问题。

SolidWorks数据导入向导模块
PZFlex 和SolidWorks 具有良好的接口，这就使复杂模型分析成为可能。

通过PZFlex 和SolidWorks 的接口界面，用户可以完成一个完整的分析。

包括模型导入、定义材料、网格划分、定义边界条件、施加载荷、定义要输出的数据等。

PZFlex 附加模块
PZFlex 软件包括了REVIEW 模块，REVIEW 是一个后处理程序能够用来计算阻抗，分析FFT 信号，绘制结果，在计算机屏幕上显示动画。

在REVIEW 中，实验结果也很容易的导入，并可进行交会绘图。

REVIEW 内置了时间调节、缩放、微分、积分操作工具，帮助用户
进行结果比对。

REVIEW 运用了基尔霍夫外推法得到持续的远场，并结合其他方程获得超声波的指向性。

PZFlex 便利性工具组 PZFlex 材料导入工具 PZFlex 三维模型导入工具
从SolidWorks 中导入的模型（STL 格式）在PZFlex 中可以用导入工具进行网格划分，载荷边界设定、激励波形、随后模型以PZFlex 格式输出，并提交计算。

PZFlex 为用户提供包括Part/Assembly 模组的SolidWorks 软件包。

PZFlex外推计算工具包
PZFlex二维建模工具包
PZFlex聚焦超声模拟工具MediFlex
MediFlex模块帮助用户快速创建高能聚焦超声(HIFU)模
型，并在PZFlex中进行计算。

在MediFlex中，用户可以
快速地制定声源和超声传播介质，指定求解输出数据种类。

同时
MediFlex提供了一系列换能器的模板，包括球壳换能器、曲线壳形换能
器和相控阵换能器，用户可以快速地选择激励换能器的类型，并输入
相应的参数，瞬间完成换能器和高能聚焦
超声(HIFU)模拟的建模。

PZFlex板波(Lamb Wave)离散工具包
PZFlex主动型材料极化方向工具包
PZFlex 压电、传播介质材料施加工具包
PZFlex 压电材料属性矩阵转换工具包
PZFlex 批处理计算管理工具包
PZFlex 阻尼曲线计算工具
PZFlex计算任务排程工具Job Scheduler
Job Scheduler允许用户对计算任务进行日程排布，使得
PZFlex/Build/Review按照该任务排布表进行连续的计算，用户也可
以通过Job Scheduler的高级选项定义计算控制台、自动暂停、停用图形显示、重命名计算结果文件。

PZFlex使用及操作特点
简单高效的代码向导建模模式(PZFlex Wizard)
PZFlex提供了模型建立文件模板，用户可以使用这个模板快速地创建有限元模型。

文件模板的结构如下所示：
●模型尺寸定义
用于定义模型大小通过关键点
●X ‐ Y ‐ Z坐标系统
使用模型尺寸定义关键点沿各个轴的坐标
●单元尺寸
定义计算模型的单元大小
●I‐ J‐ K坐标轴
定义对应I/J/K轴的节点关系
●GEOM的定义
定义模型几何尺寸和单元节点的一一对应关系材料的定义 – 用MATR命令定义或从文件中读取
●材料的尺寸定义 ‐ SITE命令
给网格节点或者几何区域施加材料‐ REGN，CYLN，SPHR子
●边界条件 – BOUN命令
定义计算模型的边界条件 – SIDE子命令
●驱动函数 ‐ func命令
表明激励波类型
●属性计算 ‐ CALC命令
选择的属性来计算的模型 ‐ PRES，DISP子命令
●电场/压力载荷的应用 ‐ PIEZ和PLOD命令
●时间历程 ‐ POUT命令
存储稍后进行分析中的具体数据
●模型进程
●执行命令
设定时间波传播通过整个模型
●绘图
执行完毕后，模型的分析结果
内置快而高效的计算法则
●内置快速而精确的算法 用于快速地生成精确的有限元模型，支
持异常巨大的设备部件、甚至整机，包括壳体。

●全面的固体和流体分析能力以及压电材料中的机电耦合效应。

●经过检验的后处理工具能使导纳、阻抗、指向性图、TVR的生成变得简单，你能将输出值和实验的结果直接进行比较。

●内置全面的单元类型，使你能分析广泛的超声波工作媒质，从流体介质到非线性生物组织。

●具有先进的求解能力，大大超越了传统的1D建模和普通的单凭经验的设计方法，包括非破坏性的测试矩阵中的复杂模式，生物学装置中的精细电极之间的电色度干扰以及两个拖动体和声纳间的交互式作用等。

●附加模块支持非线性静电分析和长距离传输分析(这种行为类似于使用传统的"B/A"模式替代非线性材料)。

●完整的热解决方案用于计算温度场和机械热效应。

简洁高效的GUI界面
FLexLAB提供了简洁的用户界面，在界面上可以很容易的找
到相应的功能图标。

无论是分析过程中还是分析完成时，压电分
析或超声波的仿真都能够以曲线和动画的形式提供给用户。

结合高效快速的内置计算法则，PZFlex除了直观、易于操作、有助于帮助用户理解物理模型等特点外，还能大大的缩短工程分
析时间，帮助用户快速获得精确地计算结果。

向导方式进行模拟
●一系列简单易用的GUI向导，让设计者不需有建模或编程知识
就能建模、测试、检测换能器.
●为1‐3压电复合材料提供模型2D 和 3D 模型, 2‐2压电复合材
料和标准平板和圆盘设计。

●设计者可以指定背衬和匹配的材料，还可以考虑换能器工作的
环境，比如水、空气或者蓖麻油。

输出动画格式
PZFlex的分析过程和结果所输出的动画可以保存为AVI格式，并且可以输出为JPG等格式。

PZFlex的改进历程
无论是何种产品，在面世之初都会存在一些问题。

PZFlex
在设计之初也不能做到尽善尽美，但是经过多年的改进实际
工程应用中出现的问题，PZFlex已经成为在超声换能器及超
声波仿真方面的成熟软件。

PZFlex 2.3
●PZFlex2.3包括新的向导工具和核心计算组件、一个测试版的一维模型工具箱，同时，PZFlex2.3扩展了后处理能力。

●在PZFlex 2.3版本中，FlexLAB平台已经升级到了真正
的64位环境，它提升了内存的调用能力，使得SolidWorks模
型和材料的导入更加方便、灵活。

●PZFlex 2.3提升了核心求解模块的计算能力，包括：声辐射力, 热冲
击、介电损耗、体积计算，简化的模型弯曲和几何分配、多重驱动功能，
和其他用户所需的模型。

PZFlex 3.0
PZFlex 3.0最大的创新在于MediFlex工具包，它是一个面向 HIFU 应用建
模的工具包。

并且，之前在2.4版本中引入的Insight可视化工具也获得了功
能上的大幅提升，新近引入的三维图形处理能力将能够允许用户旋转模型、
调整透明度、去除或者检查离散化的网格模型。

HIFU热计算模型 PZFlex 4.0
改进2D模型创建模块 在新的版本中我们改进了2D建模能力，通过借鉴 MediFlexTM 工
具包中直观的绘制包，并创建直观的拖拽模型，允许用户创建基于时域的模型，并且直接将这
些模型翻译成PZFlex的可执行语句。

增强图片导入功能 我们重写了先前的图片导入代码，将图片
导入代码与模型绘制包结合起来。

在PZFlex 4.0版本中，用户将能够
更加快速地导入诸如MRI/CT图片，建立更加逼真的计算模型。

改进声辐射力(ARF)计算模型 在PZFlex 4.0版本中，使用
SpectralFlex模块的用户可以进行声辐射力的模拟，PZFlex 4.0 版本中
的SpectralFlex模块可以模拟大规模的三维人体组织模型，比如弹性
成像模拟。

后处理采用了GPU计算模式 在PZFlex 4.0 版本中，我们采用了
最新的GPU计算方法，大大加快了后处理中的时域和频域的声场外
推计算过程，使得用户处理大规模的计算模型变得更加快速和精确。

操作系统
PZFlex支持Linux Red Hat, Linux SuSe 和 Windows XP/Vista/7 操作系统。

硬件要求
推荐配置：
●64位双核处理器（AMD或者Intel）
●4‐GB内存（最小）
●500‐GB硬盘
●NVIDIA/ATI 512‐MB支持Open‐GL
●最小分辨率 1280×1024。