用ANSYS软件分析压电换能器入门.docx

1、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。solid98：1

2、0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

3、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

4、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FileChange Directory ,出现对话框，选择刚才建立的目录D:ANSYSfiles，以后操作生成的

5、文件都在此文件夹下。（4）设定标题：实用菜单FileChange Title，出现对话框，输入daocheqi Analysis 作为标题。点击ok。（5）保存db（数据库文件）文件：FileSave as ,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,等。MPA：MPA单位系统，即mm,Kg,s,等。BFT：用英尺的单位系统，即ft,slug,s, 等。BIN：用英寸的单位系统，即in,

6、lbm,s, 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PreprocessorElement TypeAdd/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Brick 8node 45，点击Apply键，选定了一种Solid45单元。继续点击框图左边Coupled Field,

7、 选择右边框图中Scalar Brick 5，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- Save as ,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，杨氏模量，泊松比。压电陶瓷PZT5的材料参数：（ANSYS输入参数）密度刚度矩阵（也可输入柔顺矩阵）压电应力常数矩阵介电常数矩阵也可输入绝对值（1） 输入黄铜材料参数：主菜单栏Preprocessor-Material PropsMaterial Mode

8、ls ,出现对话框，点击左边Material Model Number 1 ,点击右边FavoritesLinear StaticDensity，出现密度对话框，输入密度2790，点击ok。同样继续点击Linear Isotropic （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Define Material Model Behavior 的菜单MaterialNew Model，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M

9、aterial Model Number 2 ,点击右边StructuralDensity，输入7750，点击ok。定义刚度矩阵，点击右边StructuralLinearElasticAnisotropic,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ElectromagneticsRelative PermittivityOrthotropic,输入参数PERX=8.11e-9 ,PERY

10、=8.11e-9 ,PZRZ=7.35e-9定义压电矩阵：点击右边PiezoelectricsPiezoelectric matrix,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PreprocessorModeling CreateKeypointsIn Actice CS，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

11、,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P

12、reprocessorModeling CreatelinesStraight Line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PreprocessorModeling CreateAreasBy Lines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PreprocessorModeling OperateExtrudeAreasAbout Axis,出现一个对话框，点击Pick All , 表示全部面都要旋

13、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PreprocessorModeling OperateBooleanGlueVolumes，出现对话框，要求选择要粘接的体积，这里选择Pick All 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PreprocessorMeshingMesh AttributesPicked Volume

14、s 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1 SOLID45（2）指定压电材料的单元及材料属性：主菜单栏PreprocessorMeshingMesh AttributesPicked Volumes 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2 SOLID5（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PlotLines(2) 主菜单PreprocessorMeshingSize

15、 CntrlsManualSizeLinesPicked Lines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PreprocessorMeshingMeshVolumesMapped4 to 6 sided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齐出现对话框，点击Pick All，表示所有体积都按6面体单

16、元划分。（4）保存文件：meshvolume.db11转换坐标系 把坐标系转换到柱坐标系下，有利于加载约束条件。实用菜单WorkPlaneChange Active CS to Global Cylindrical保存文件：changecys.db12节点转换 把划分网格后生成的节点转换到柱坐标系下，使得后续的求解过程计算速度更快。主菜单栏PreprocessorModeling CreateNodesRotate Node CSTo Active CS ，出现对话框，点击Pick All保存文件：changenodes.db三：加载约束条件1.加载边界约束条件（1） 旋转方向固定主菜单栏Pr

17、eprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas 用鼠标选定如下的几个面，点击ok出现对话框，点击UY，表示在Y方向，在柱坐标系下也即旋转方向固定，点击ok(2) 旋转轴固定主菜单栏PreprocessorLoadsDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines选择轴线， 点击ok。出现如下对话框，选择UX，表示固定其X方面，即在径向上不移动。保存文件：loaddisp.db2 .加载电压 给压电陶瓷加上电压，我们给定陶瓷下底面为0V ，陶瓷上底面为1V 。主菜单栏Pre

18、processorLoadsDefine LoadsApplyElectricBoundaryVoltageOn Areas选择陶瓷下底面，如下出现对话框，要求输入电压值，电压值填0V用同样的方法选择陶瓷上底面，加1V的电压。保存文件：loadele.db四 求解1 .模态分析（1）选择分析类型：主菜单SolutionAnalysis TypeNew Analysis点击选择模态分析选项Modal，点击ok(2)分析参数设定：主菜单SolutionAnalysis TypeAnalysis Options, 设定求解模态数目为8点击ok，出现对话框，频率范围可以不设定，直接点击ok（3）进入求

19、解：主菜单SolutionSolveCurrent LS ，表示采用当前约束条件进行求解出现下面两个提示，分别点击ok和yes。程序进行求解，求解完成之后出现求解完毕提示，表示求解完成。保存文件:solve.db五 查看结果1 查看模态结果主菜单General PostprocResults Summary，我们可以看出求出的前8阶模态分别为：0Hz，4268.9Hz，19476Hz，21172Hz，51261Hz，58121Hz，58445Hz ，73133Hz。2. 动态演示模态结果(1） 读取模态结果读取第1阶模态结果：主菜单General PostprocRead ResultsFir

20、st Set 实际上，由于模型未在Z方向加位移限制条件，故第阶1模态频率为零，只作平动。（2） 动态演示第2阶模态的振动形态读取模态结果读取第2阶模态结果：主菜单General PostprocRead ResultsNext Set ,实用菜单PlotCtrlsAnimateMode Shape点击之后出现对话框对动画进行参数设置，我们采用默认参数， 点击ok将会出现第2阶模态的振动形态动画。 也可选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape 命令，弹出对话框选择Def+undef edge ,单击OK得到变形图六 生成命令流文件

21、以上步骤都是在图形操作下完成的，但由于采用图形操作来建模效率太低，而且不易于改变参数（结构参数，材料参数和网格参数等），因此我们有必要采用文本编程的方法来建模和求解。ANSYS软件提供了这方法，但是要完全掌握ANSYS编程语言相对比较困难，而采用图形操作建模过程中，软件会按照图形操作过程生成相应的文本命令，称之为命令流文件（.lgw）。因此我们在图形操作建模之后生成命令流文件，然后对命令流文件进行编辑整理，分块，具体参数变量化(如轴对称模型只分析圆柱的一定角度，电极给定电压，划分线网格数)等等操作之后，再由软件读入该文件就可以得到我们所要求解的东西。1 生成.lgw文件 实用菜单FileWri

22、te DB log file ，输入docheqi.lgw文件名。（用蓝色字表示注释，红色标注提请注意）2 编辑命令流文件注意：所有以“！”开始的语句为注释语句，并不参加执行，可以去掉。/BATCH ! /COM,ANSYS RELEASE 8.0 UP20030930 17:45:52 09/16/2004 /TITLE,normal cymbal/PREP7 ET,1,SOLID45 ！定义第一种单元ET,2,SOLID5 ！定义第二种单元!*!*! SAVE, element,db,D:ANSYSfilesdocheqi Analisis !material1金属壳材料mat1dens=

23、2790 ！铝密度mat1yang=7.15e10 ！铝杨氏模量mat1person=0.34 ！铝泊松比!material3压电体材料PZT5mat2dens=7750 ！密度c11=12.1e10 ！弹性常数矩阵c12=7.54e10c13=7.52e10c22=12.1e10c23=7.52e10c33=11.1e10c44=2.26e10c55=2.11e10c66=2.11e10e13=-5.4 ！压电常数矩阵e23=-5.4e33=15.8e52=12.3e61=12.3fx=0.811e-8 ！介电常数矩阵fy=0.811e-8fz=0.735e-8!structural几何结构

24、参数 r1=10e-3 ！陶瓷片半径r2=17e-3 ！铝壳内半径r3=20e-3 ！铝壳外半径tj=0.5e-3 ！双迭片中铝片厚度h=10e-3 ！铝壳内腔深度ty=0.5e-3 ！压电片厚度td=3e-3 ！铝壳底厚度theta=30 ！分析换能器的旋转角! meshline网格分线控制tcbj=4lvbj=4bhow=2hudu=10dibj=10dihow=4shen=8!volut control电压控制voltvalue=1 ! MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,mat1yang ！铝杨氏模量MPDATA,PRXY,1,mat1person ！铝泊松比

25、MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,mat1dens ！铝密度! MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,2,mat2dens ！压电材料密度TB,ANEL,2,1,21,0TBTEMP,0TBDATA,c11,c12,c13, ！压电材料弹性系数TBDATA,c22,c23,c33 TBDATA,c44, TBDATA,c55,c66, MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,PERX,2,fx ！压电材料介电常数MPDATA,PERY,2,fy MPDATA,PERZ,2,fz TB,PIEZ,2,0 TBMODIF,1,1,

26、TBMODIF,1,2,TBMODIF,1,3,e13 ！压电材料压电常数TBMODIF,2,1,TBMODIF,2,2,TBMODIF,2,3,e23TBMODIF,3,1,TBMODIF,3,2,TBMODIF,3,3,e33TBMODIF,4,1,TBMODIF,4,2,TBMODIF,4,3,TBMODIF,5,1,TBMODIF,5,2,e52TBMODIF,5,3,TBMODIF,6,1,e61TBMODIF,6,2,TBMODIF,6,3,! SAVE, matiral constant,db,D:ANSYSFILESdocheqi Analisis !K,1,0,0,0, ！定

27、义关键点K,2,0,0,tj, K,3,0,0,tj+ty, K,4,r1,0,0, K,5,r1,0,tj, K,6,r1,0,tj+ty, K,7,r2,0,0, K,8,r2,0,tj, K,9,r3,0,0,K,10,r3,0,tj,K,11,r3,0,tj+h,K,12,r3,0,tj+td+h,K,13,r2,0,tj+h,K,14,r2,0,tj+td+h,K,15,0,0,tj+h,K,16,0,0,tj+td+h,!SAVE,keypoint,db,D:ANSYSFILESdocheqi Analisis! LSTR, 1, 2 ！关键点连线LSTR, 2, 3 LSTR, 4, 5 LSTR, 5, 6 LSTR, 7, 8LSTR, 9, 10LSTR, 10, 11LSTR, 11, 12LSTR, 8, 13LSTR, 13, 14LSTR, 15, 16!2 LSTR, 1, 4 LSTR, 4, 7 LSTR, 2, 5 LSTR, 5, 8LSTR, 3, 6LSTR, 7, 9LSTR, 8, 10LSTR, 15, 13LSTR, 13, 11LSTR, 16, 14LSTR, 14, 12! SAVE, line,db,D:ANSYSFILESdocheqi