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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

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