压电分析典型实例.docx
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压电分析典型实例
第18章耦合分析典型实例
18.1压电材料与控制装置的强耦合模型
18.1.1模型描述
如图18-1所示结构，外部环型结构为激励控制部件，其在外力作用下变形产生挤压效应。
结构中间横梁为压电材料，其在控制部件的挤压下产生电势差。
压电材料
激励控制部件
图18-1执行器压电结构
18.1.2分析目标
●线性静力分析
●耦合系统的模态分析
●耦合系统谐响应分析
●耦合系统瞬态响应分析
18.1.3线性静力分析
我们将分析压电材料对指定常电压的反应，同时也会得到环形激励控制部件的变形。
1.模型处理及准备
（1）打开SamcefField软件
（2）在求解模块对话框SolverDriverSetting中进行如下设定：
Domain=PiezeoelectricAnalysis
Solver=oofelie
Analysistype=LinearStatic
（3）点击工具菜单中File\Importgeometry，在出现的Input对话框中，直接进入samceffield安装路径下的example文件夹，选择brep\piezoelectrics\Actuator.brep，点击导入模型。
（4）点击工具菜单中的File\SaveAs将文件另存到一新的工作路径中。
2.建立分析数据
点击按钮进入分析数据定义模块。
（1）几何属性和材料属性
我们先来定义两个非压电部分的属性，对于本例来说就是外部的环和两个压电体中间的连接部分。
1）在数据树或3D显示区域选择”Actuator”，点击工具栏中的几何属性定义按钮，在几何属性定义对话框中，几何类型（behavior）选择体，对象选择类型（placeon）选择。
几何属性（type）选择柔体，在3D显示区域选择以下两个高亮显示部分作为Flexiblepart（如图18-2）。
图18-2非压电部分的选择
2）点击工具栏中的材料特性定义按钮，Placeon仍旧选择上面提到的两个实体，材料特性定义对话框中进行如下定义。
-Type:
Isotropic
-Youngmodulus:
2.1e11Pa
-Poissonratio:
0.3
-Massdensity:
7800kg/m³
注：
在Oofelie定义材料特性时，和结构分析中定义材料有一定区别，对于一般线弹性本构模型，只需给出弹性模量，柏松比以及材料的密度。
接下来我们来定义压电材料的属性。
3）仍旧点击工具栏中的几何属性定义按钮，几何类型（Behavior）选择导体，对象选择类型（placeon）选择。
导体类型（Typeoforientation）选择（横向同性）。
Transverseisotropicdirection选择轴方向，选择图18-中的高亮部分，点击确认。
如图18-3中a）
a）b）
图18-3压电部分的选择
4）保持其它不变，再选择图18-3中b）中高亮部分，点击后的反向控制按钮
，点击确认操作。
注：
在定义压电体几何特性时，需确定导体几何类型，其电势方向一般为横向同性面的法向。
当向给定反向导电方向，可以选择反向按钮进行操作。
5）选择主菜单File\Importdata，进入samceffield的安装目录，选择data文件夹，找到PZT4材料数据（如图18-4）。
点击确认。
此时，数据树中的DataLibrary中可以双击PZT4查看材料数据。
此时，可以对材料数据进行相应的修改，在”datalibrary”中的材料数据可被模型中的任意”part”引用。
图18-4导入的材料数据
6）选择部件，并进入材料特性定义模块，选择两块导体。
并在材料特性定义窗口选择Boundto。
选择，点击确认定义。
注：
可以有效灵活的管理材料特性，当在数据树中”Datalibrary”的材料数据改变时，所有赋予了该材料特性的对象的材料特性也随之改变。
（2）边界条件的加载
1）选择部件，并点击进行边界条件的加载，将边界条件类型Constraint设定为全约束，将施加对象Placeon设定为。
在3D显示区域选择图18-5中高亮显示的面，点击确认选择。
图18-5约束类型为Clamp的面
2）选择模型，仍旧点击定义边界条件。
在边界条件定义对话框中选择，约束类型为，选择图18-6中高亮显示的面，并点击确定。
图18-6约束类型为NullPotential的面
注：
可以按住Ctrl与鼠标组合进行旋转、放大/缩小操作，并将鼠标放置于面的几何中心附近更容易找到要选择面。
3）选择模型，再次并点击。
在边界条件定义对话框中，将边界条件类型设定为电势差，电势差值输入110V，选择图18-7中高亮显示的面。
图18-7约束类型为PrescribedPotential的面
3.网格划分
选择按钮进入网格划分模块
（1）在数据树中或在3D显示区域选择模型，点击工具栏中的网格尺寸定义按钮。
在网格定义菜单内，将网格平均尺寸定义为0.5mm，点击确定网格尺寸定义。
（2）点击工具栏中的网格类型定义按钮，在网格类型定义菜单中将单元形状Shape设定为四面体，将单元规格Order设定为二次单元，生成法则设为自动生成，如图18-8，点击确认。
图18-8定义网格类型
注：
Samcef可以根据模型的几何情况，生成六面体，五面体，四面体，四边形，三角形，梁单元，点单元等不同类型的网格，这些网格均与体相关。
（3）点击工具栏中的生成按钮，在生成网格对话框中直接点击生成有限元网格。
如图18-9所示
图18-9网格图
4.提交计算
（1）点击按钮进入求解模块。
（2）点击工具栏中的提交按钮进行作业提交，在作业提交窗口设定求解路径，作业名称以及求解器路径。
（3）提交进行计算。
5.后处理
（1）点击后处理按钮进入后处理模块。
（2）在数据树中选择”Results”子目录，并选择”Nodeldisplacement”，可以看到如图18-9所示结果。
图18-10节点位移
在查看结果以前，可以先将网格数据或几何数据隐藏，以便更好的观察结果云图。
（3）在数据树中，会有各种结果数据，进行相应选择可以得到不同的结果。
保存结果以便下节利用。
18.1.4模态分析
1.建立新的分析数据
（1）继续上面的操作，在数据定义模块改变分析类型和物理数据。
在工具栏中点击按钮
，在对话框SolverDriverSetting中更改AnalysisType为。
注：
这时会弹出一个警告对话框提示你”Prescribedpotential”约束条件已经不可用，可以关闭它。
当求解器设置已经改变后，你会看到"Prescribed_Potential_on_2_faces_of_Actuator"约束条件变成了橙色，意思就是说不再可用了，我们可以把它修改成本分析可用的约束。
（2）双击约束"Prescribed_Potential_on_2_faces_of_Actuator"，会弹出对话框提示你可以改成其它约束，点击，约束类型改成。
2.求解模态
进入求解模块，在求解设置时选择模态阶数时输入20，提交计算。
（1）进入后处理模块，在数据树中点击"nodaldisplacements"，将会显示第一阶模态的节点位移，点击工具栏中
按钮，你可以查看任意阶模态。
下图18-10为第19阶模态。
（2）查看电势，在数据树中选择"Electricpotential"，同样也可以查看各阶模态下设备的电压和变形。
下图18-11为第11阶模态下的结果。
图18-10第19阶模态
图18-11第11阶模态下的电压和变形
18.1.5谐响应分析
这个阶段我们来分析设备在频率范围的真实情况，它作为传感器而不是激励器，主要的激励是指定的位移而不是电压（即相当于已知位移求它的电压值）。
这里仍旧使用上节的模型，我们只需要重新定义分析数据。
1.建立新的分析数据
（1）更改分析类型。
继续上面的操作，在数据定义模块改变分析类型和物理数据。
在工具栏中点击按钮
，在对话框SolverDriverSetting中更改AnalysisType为。
（2）设置阻尼。
双击数据树中材料属性"Elasticon2solidsofActuator"，在阻尼选项中选择结构阻尼（Structuraldamping），输入值为0.01.
（3）设置激励。
点击约束按钮，约束类型选择指定位移（PrescribedDisplacement），在DisplacementValue实部填入1mm，虚部填入0mm。
选择Z方向作为施加方向，选择图18-12中高亮部分作为施加面。
图18-12激励作用面的选择
2.求解模态
在求解模块，在求解设置中Harmonicdata面板输入如下参数并提交计算。
-InitialFrequency:
10000Hz
-EndFrequency:
20000Hz
-FrequencyStep:
400Hz
-ResolutionTechnique:
CoupledModalSuperposition
-TypeofSolver:
UpperFrequency
-UpperFrequency:
50000Hz
注：
在此我们使用的是耦合模型混合技术，主要是加速了计算过程。
这种计算方法不是最精确的，但是在以上这种低阻尼的情况下已经足够了。
3.查看结果
进入后处理模块，在数据树中点击"ElectricPotential"，点击
按钮，进行如下设置：
-Complexresult:
ComplextoReal
-ComplexCriteria:
Magnitude
-Criteriaresult:
Scalar
-PredefineCriteria:
Valuebynode
显示网格，然后点击
，在3D显示区域点击一个节点，如图18-13中的点，在FunctionDialog窗口里点击，可以显示相应频率的电压曲线（如图18-14）。
图18-13选择节点
图18-14相应频率的电压曲线
当执行器以有关的模态被激励时，可以看到在一些频段范围内有一些电压峰值。
当只描述设备的轴向位移时，可以看到设备的电压敏感位置，同时它作为位移传感器也可以观察到横向位移。
18.1.6瞬态分析
最后分析设备在可变电压下的响应和观察由它产生的电压，在做这个分析的时候假设18.1.5节的谐响应分析已经完成，所以这里读取文件并另存为"actuator_transient"，接下来建立新的分析数据。
1.建立新的分析数据
（1）更改分析类型。
继续上面的操作，在数据定义模块改变分析类型和物理数据。
在工具栏中点击按钮
，在对话框SolverDriverSetting中更改AnalysisType为。
注：
在这里将会弹出警告信息：
分析数据与现在的分析是不兼容的。
在改变求解类型以后那些分析数据就不可用了。
这是因为在原来的线形静力分析数据可能有单一数值现在都需要变成时间的函数。
（2）设置阻尼。
双击数据树中材料属性"Elasticon2solidsofActuator"，在阻尼种类选项中选择粘性阻尼（Vidvousdamping），在刚度比例因子（StiffnessProportionalityFactor）中输入值为0.001，点击按钮。
（3）设置荷载。
双击数据树中材料属性"Prescribed_Displacement_on_1_face_of_Actuator",点击右键，选择，再双击数据树中"Isopetential"，会弹出EditUsedData：
Constraint对话框，在Constraint中选择,在值（Value）选项中选择多点函数（Multi-Pointfunction）按钮
，点击，输入图18-15显示的值。
图18-15多点函数输入位移值
2.求解
在求解模块，在求解设置中Transientdata面板输入如下参数并提交计算
-SimulationTimeInterval:
0.12ms
-IntegrationTimeStep:
2e-3ms
3.查看结果
（1）在数据树中点击"Nodaldisplacements"，右键单击并选择，并选择，设置变形（Deform）为并且填入系数（Coefficient）值为10e3。
现在Reference对话框中观察设备随时间变化的变形时，变形就是很明显的并且在网格上会有不同的颜色表示。
（2）与谐响应分析一样，这里也可以观察压电材料节点上的电压随时间的变化，如图18-16所示为一点的电压随时间的变化曲线。
图18-16某一点的电压随时间的变化曲线
18.2电动热力学分析实例
18.2.1模型描述
这个模型描述了接触点焊的过程。
两个电极被放置在两块金属板的两侧把两块金属板焊接在一起，由于两个电极存在电势差，将会有电流穿过将要焊接的部分，由于焦耳效应，这个部分将会加热进而融化，在加上机械压力，这就是整个焊接的过程。
由于这么模型是完全对称的，所以只取模型的1/8来分析，因此模型由一个电极和焊板的1/4（如图18-17所示结构）组成，板分两部分模拟，点焊的区域单独建模。
图18-17接触点焊模型
18.2.2分析目标
●计算结构在外荷载、电压和压力作用下的稳态响应。
●点焊过程是瞬态的，点焊部分到达熔点只需0.02秒，所以这部分分析模拟实际负荷情况，外加电压将在短时间内产生高温。
18.2.3线性静态分析分析流程
首先分析给定电势下稳态电流流动。
1.模型处理及准备
（1）打开SamcefField软件
（2）在求解模块对话框SolverDriverSetting中进行如下设定：
Domain=ElectrokineticThermomechanicalAnalysis
Solver=oofelie
Analysistype=LinearStatic
（3）点击工具菜单中File\Importgeometry，在出现对话框中，直接进入samceffield安装路径下的example文件夹，选择”brep\ElectrokineticThermomechanics\SpotWelding.brep”，点击导入模型。
（4）点击工具菜单中的File\SaveAs将文件另存到一新的工作路径中。
2.建立分析数据
点击按钮进入分析数据定义模块。
（1）几何属性和材料属性
1）在数据树或3D显示区域选择几何模型，点击工具栏中的几何属性定义按钮，在几何属性定义对话框中，几何类型（behavior）选择体，几何属性（type）选择柔体，对象选择类型（placeon）选择。
在3D显示区域共有三个”solid”，三个都选择。
2）选择File\Importdata，进入samceffield的安装目录，选择data文件夹，找到Copper材料数据。
点击确认，再输入Aluminium6061-T6材料数据。
此时，可以指定不同的金属构件不同的材料属性。
3）选择部件，并进入材料特性定义模块，选择材料为热电弹性导体（ThermoelasticElectricConductor）。
点击选择按钮
。
选择”datalibrary”定义的材料Aluminium6061-T6，在placeon中选择，选择图18-18（a）中高亮的两个”solid”，点击确认定义。
4）同样把材料copper赋给电极，如图18-18（b）中高亮显示。
（a）（b）
图18-18材料的选择
（2）边界条件的加载
1）施加底面约束。
选择部件，并点击进行边界条件的加载，将边界条件类型（Constraint）设定为全约束，选择Z方向，将施加对象（Placeon）设定为。
在3D显示区域选择图18-19中高亮显示的两个面，点击确认选择。
图18-19约束底面
2）施加对称面约束。
同上的操作，lockingX=0平面，选择X方向和图18-20（a）中高亮显示的三个面，并点击确定。
同样定义Y=0的平面，如图18-20（b）。
（a）（b）
图18-20约束对称面
3）设置上下两个平面的电势。
选择模型，再次并点击。
在边界条件定义对话框中，将边界条件类型设定为电势差，电势差值输入0.001V，选择图18-21（a）中高亮显示的顶面。
同样的操作，选择和图18-21（b）中高亮显示的底面。
（a）（b）
图18-21设定电势平面
（3）施加荷载，点击荷载按钮
，荷载类型选择，输入值为10Pa，选择顶面作为施加面，如图18-22（a）。
同样选择作为荷载类型并输入如下参数：
Convectivecoefficient：
8.1W/（m**2*deg.K）
Fluidtemperature：
20deg.C
选择所有外表面作为施加面，如图18-22（b）
（a）（b）
图18-22施加荷载平面
3.网格划分
选择按钮进入网格划分模块
（1）分别设定各部分网络尺寸。
在数据树中或在3D显示区域选择模型，点击工具栏中的网格尺寸定义按钮。
在网格定义菜单内，将网格平均尺寸定义为0.4mm，选择除焊点外的两个”solid”，如图18-23（a），点击确定网格尺寸定义。
再把焊点的尺寸定义为0.25mm，如图18-23（b）。
（a）（b）
图18-23网格尺寸定义
（2）设定单元类型。
点击工具栏中的网格类型定义按钮，在网格类型定义菜单中将单元形状Shape设定为四面体，将单元规格Order设定为一次单元，生成法则设为自动生成。
点击确认。
（3）生成网格。
点击工具栏中的生成按钮，在生成网格对话框中直接点击生成有限元网格。
4.提交计算
点击Solver按钮进入求解模块
（1）选择显示的结果。
点击按钮，在结果选择对话框中，把单元电场（ElectricfieldonElements（code2220））和电流密度（theCurrentDensity（code2310））加入到要显示的结果中。
（2）点击工具栏中的提交按钮，在提交窗口设定求解路径，作业名称以及求解器路径。
（3）提交进行计算。
5.后处理
（1）点击后处理按钮进入后处理模块
（2）在数据树中选择”Results”子目录，并选择电流密度”CurrentDensity”，再点击，在CriteriaSeletion对话框中选择和，可以看到如下结果。
图18-24电流密度图
注：
在查看结果以前，可以先将网格数据或几何数据隐藏，以便更好的观察结果云图。
（3）选择"Nodaltemperatures"。
在ColorScale对话框中设置单位为deg.C。
点击parameters右侧的[>>>]按钮，在currentBounds项中设置最小20，最大40。
并在DisplayBounds项中点击。
图18-25设定最大最小温度后的节点温度图
（4）在数据树中，会有各种结果数据，进行相应选择可以得到不同的结果。
18.2.4瞬态分析
在第二阶段的学习中将在焊接过程中实际应用的电压。
由于焊接过程本身是个瞬态过程，这个电压要高于静力分析中的电压。
1.建立新的分析数据
（1）继续上面的操作，在数据定义模块改变分析类型和物理数据。
在工具栏中点击按钮
，在对话框SolverDriverSetting中更改AnalysisType为。
注：
这时会弹出一个警告对话框提示线性静态分析数据已经不可用，可以先关闭它。
我们将会指定焊接过程的实际电压。
（2）双击约束"Prescribed_Potential_on_"...，把电压值给成0.5V，点击按钮。
2.求解
在求解模块，在瞬态求解设置时选择结束时间为6ms，时间步数为"10"，提交计算。
3.查看结果
在数据树中点击"nodaltemperatures"，将会显示第一阶模态的节点位移，点击工具栏中按钮，你可以查看求解设置的最大时间内任意时间的温度。
图18-26为6ms时的节点温度。
图18-266ms时节点温度图
时间步的最后一步（6ms）清楚的显示发生在上部板偏低的部分点的传热，这便是我们希望从点焊过程得到的结果。
铝板的电阻高于铜板的，所以在板上产生的焦耳热要比电极上的多。
因此电极温度要比比板的温度低，并且给板的上部传热，例如在电极的附近，电流通过电极，留下了所希望焊接的热点。
通过时间步可以观察到在焊接中前六秒的传热过程。
18.3电磁分析实例1
18.3.1模型描述
这个模型描
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