压电陶瓷振动的有限元分析ansys

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:A1　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,2,1,7KEYOP T,2,2,0MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDA 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,0TBDA TA,,1.32e11,7.1e10,7.3e10,,,TBDA TA,,1.32e11,7.3e10,,,,1.15e11TBDA TA,,,,,3.0e10,,TBDA TA,,2.6e10,,2.6e10,,,MPTEMP,,,,,,,,!定义压电陶瓷的介电常数MPTEMP,1,0MPDA TA,PERX,1,,7.124e-9MPDA TA,PER Y,1,,7.124e-9MPDA TA,PERZ,1,,5.841e-9TB,PIEZ,1,,,0!定义压电陶瓷的压电系数TBMODIF,1,1,TBMODIF,1,2,TBMODIF,1,3,-4.1TBMODIF,2,1,TBMODIF,2,2,TBMODIF,2,3,-4.1TBMODIF,3,1,TBMODIF,3,2,TBMODIF,3,3,14.1TBMODIF,4,1,TBMODIF,4,2,TBMODIF,4,3,TBMODIF,5,1,TBMODIF,5,2,10.5TBMODIF,5,3,TBMODIF,6,1,10.5TBMODIF,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.第1期雷辉等:用ANSYS 软件分析压电陶瓷的振动状态31　图2　面划分图 图3　体划分图3.3　添加约束条件和负载　添加的约束条件是在上、下表面的圆心处分别添加位移约束,使其只能沿纵向方向移动.具体代码及注释如下:nsel ,s ,loc ,y ,0nsel ,r ,loc ,z ,0nsel ,r ,loc ,x ,0!选取下表面圆心上的点d ,all ,ux ,0!使其不能沿x 方向运动d ,all ,uz ,0!使其不能沿y 方向运动nsel ,s ,loc ,y ,0.001!选取上表面圆心上的点nsel ,r ,loc ,z ,0!同理nsel ,r ,loc ,x ,0d ,all ,ux ,0d ,all ,uz ,0给圆盘添加的电压负载是在圆盘的上下表面的两个电极上加上耦合电压,其电压值分别为5伏和0伏.这样使得圆盘上下电势差为5伏.其代码及注释如下:nsel ,s ,loc ,y ,0!选取下表面所有节点cp ,1,volt ,all !为下表面添加耦合电压3get ,n_bot ,node ,0,num ,min !定义下表面的电极节点nsel ,s ,loc ,y ,0.001!选取上表面所有节点cp ,2,volt ,all !为上表面添加耦合电压3get ,n_top ,node ,0,num ,min !定义上表面的电极节点nsel ,all !选取所有节点d ,n_bot ,volt ,0!下表面加0伏电压d ,n_top ,volt ,5!上表面加5伏电压3.4　静态和模态下的处理　首先选择处理状态为静态,并在此状态下得出其静态电容,代码及注释如下:/SOL !进入处理环节AN T YPE ,0!选择静态处理/STA TUS ,SOL U SOL V E !求解3get ,cs ,node ,n_top ,rf ,chrg !得到上电极电量值fini !处理结束3SET ,cs ,abs (cs )/5!得到静态电容接着进行模态分析,设定它有20个子步,频率范围为02200000Hz ,并且将上表面短路,代码及注释如下:/SOL U !进入处理环节AN T YPE ,2!选择模态处理MODOPT ,L ANB ,20!定义处理方法和子步数EQSL V ,SPAR !选择处理器MXPAND ,20,,,1!要显示的子步数L UMPM ,0PSTRES ,0MODOPT ,L ANB ,20,0,2000000,,OFF !定义频率范围32　湖北大学学报(自然科学版)第30卷d ,n_top ,volt ,0!上表面短路nsel ,all!选择所有节点/STA TUS ,SOL USOL V E !求解3.5　后处理　后处理是指检查并分析求解的结果的相关操作.这是分析中最重要的环节之一,因为任何分析的最终目的都是为了研究作用在模型上的的载荷是如何影响设计的[5].检查分析结果可使用两个后处理器:POST1(通用后处理器)和POST26(时间历程后处理器).POST1允许检查整个模型在某一载荷步和子步(或对某一特定时间点或频率)的结果.POST26可以检查模型的指定节点的某一结果项相对于时间、频率或其它结果项的变化.在求解时,ANS YS 将结果写入结果文件,进行后处理时,结果文件必须存在且可用.结果文件名的后缀取决于分析类型,对于结构分析的结果文件的后缀为RST [6].本次实验只用到了POST1.在后处理中利用一个循环语句可以得出不同频率下的动态电容、动态电感、电量以及阻抗值.其代码和注释如下:/POST13SET ,nmodes ,20!定义nmodes =203dim ,C ,array ,nmodes!定义电容数组3dim ,L ,array ,nmodes!定义电感数组3SET ,PI2,233.14159!定义PI2=233.14159set ,first!设定第一个子步/com ,3do ,i ,1,nmodes !定义一个循环,从1到20步3get ,Fi ,mode ,i ,freq !得到该步的频率值3get ,Qi ,node ,n_top ,rf ,chrg !得到该步的电量值3SET ,Omi ,Pi23Fi !将线速度转化为角速度3SET ,C (i ),(Qi/Omi )332!计算相关的动态电容3SET ,L (i ),1/(Omi 3323C (i ))!计算相关的动态电感/com ,Mode %i %!在输出窗口中显示第几步/com ,Resonant f requency F =%Fi %Hz !在输出窗口中显示频率值/com ,Dynamic capacitance C =%C (i )%F !在输出窗口中显示动态电容值/com ,Dynamic inductance L =%L (i )%H !在输出窗口中显示动态电感值/com ,charge Q =%Qi %C!在输出窗口中显示电量值/com ,Impedance R =%5/(233.141593Fi 3Qi )%!在输出窗口中显示阻抗值/com ,set ,next !进入下一个子步3enddo!循环结束FINISH同时可以在主菜单的Animation 选项下看一下压电圆盘在各个不同频率下的振动状态,这里截取了几个振动图,如图4所示:(a )频率为29728Hz (b )频率为65741Hz (c )频率为53476Hz图4　振动状态图第1期雷辉等:用ANSYS软件分析压电陶瓷的振动状态33 4　结束语本文对压电陶瓷圆盘添加了约束和对称负载,解决了压电陶瓷压电场与结构场的耦合问题,并且最终得到了压电圆盘在静态下的电容值,以及它在模态下的动态电容、动态电感、电量和阻抗,而且还可以观察圆盘在各个不同频率下的振动状态,以便于今后对材料性能的研究以及对材料的改进.同时,不难发现Ansys8.0在处理压电耦合场这方面有很强的处理能力,像Solid226就是专门针对压电分析而定义的,而且Ansys8.0在其材料库中建立了相关的压电材料,因此大大简化了有限元的建模和计算,强大的后处理功能更是让研究者能够很直观的获得数据结果和模拟图像.参考文献:[1]林书玉,张福成.压电陶瓷圆片振子的多模耦合振动[J].电子学报,1994,12:43249.[2]姜德义,郑拯宇.压电陶瓷片耦合振动模态的ANSYS模拟分析[J].传感技术学报,2003,12:9216.[3]陈大任.压电陶瓷微位移驱动器概述[J].电子元件与材料,1994,2:33240.[4]邵蕴秋.ANSYS8.0有限元分析实例导航[M].北京:中国铁道出版社,2004.[5]刘涛.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002.[6]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京:北京大学出版社,2003.Using ANSYS to analyze the vibration state of piezoelectric ceramicL EI Hui,ZHOU Shuang2e(School of Mathematics and Computer Science,Hubei University,Wuhan430062,China) Abstract:The application of piezoelect ric ceramic becomes more and more extensive,However,it needs to take much more time to st udy it by t raditional experiment s and t he result s are often unilateral for complex prezoelect ric ceramics boundary co ndition and st ress state.In t his view,we use big2scale general piezoelect ric ceramic’s boundary condition and st ress state simulating software ANS YS8.0to carry t hrough comp uter simulation.We gain t he pict ure of piezoelect ric ceramic’s vibration state by using comp uter to analyze t he coupling effect of piezoelect ric ceramic.The experiment result indicates t hat ANS YS8.0can competently deal wit h p roblems about piezoelectric coupling field.It optimizes t he time of creating model and comp uting largly,and it s st rong f unction of post dealing makes researchers can directly obtain data result s and simulating images.K ey w ords:simulation;piezoelect ric ceramic;vibratio n state(责任编辑肖铿,胡小洋)。

压电陶瓷振动的有限元分析ansys第⼀章绪论1.1压电材料概述1.1.1压电效应1880年法国物理学家⽪埃尔和雅各居⾥兄弟在研究⽯英晶体的物理性质时发现：当沿着晶⽚的某些⽅向施加作⽤⼒使晶⽚发⽣变形后，晶⽚上相对的两个表⾯会出现等量的正负电荷，电荷的密度与施加的⼒的⼤⼩有关，这种现象称为压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。

压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。

当对压电陶瓷施加⼀个与极化⽅向平⾏的压⼒F，如图1.1（a）所⽰，陶瓷⽚将产⽣压缩变形，⽚内的正、负束缚电荷之间的距离变⼩，极化强度也变⼩。

因此，原来吸附在电极上的⾃由电荷，有⼀部分被释放，⽚内的正、负电荷之间的距离变⼤，极化强度也变⼤，因此电极上⼜吸附⼀部分⾃由电荷⽽出现充电现象。

这种由机械效应转变为电效应的现象就是压电效应。

压电效应包括正压电效应和逆压电效应。

如图所⽰：图1.1 压电效应⽰意图:（a）正压电效应（b）负压电效应正压电效应：当压电晶体在外⼒作⽤下发⽣形变时，在它的某些相对应的⾯上产⽣异号电荷，这种没有电场作⽤，只是由于形变产⽣的极化现象称为正压电效应。

逆压电效应：当压电晶体施加⼀电场时，不仅产⽣了极化，同时还产⽣了形变，这种由电场产⽣形变的现象称为逆压电效应。

1.1.2压电陶瓷的诞⽣与发展具有压电效应性能的陶瓷称为压电陶瓷，1942年美国⿇省理⼯学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流⾼压电场，使其⾃发极化沿电场⽅向择优取向,除去电场后仍能保持⼀定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞⽣了压电陶瓷。

钛酸钡（3BaTiO ）陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从⼀些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，⽽且在压电性能上也有了⼤幅度提⾼。

当今⼴泛应⽤的压电陶瓷是PZT ，即()3,O Ti Zr Pb 压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好。

它是由美国学者B.贾菲等⼈于1954年发现的33PbTiO PbZrO -⼆元系固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（3BaTiO ）陶瓷的两倍。

收稿日期:2006-02-27作者简介:郑骥(1979-),男,安徽滁州人,硕士研究生,从事结构主动控制研究。

文章编号:1007-6743(2006)02-0014-03ANSY S 在压电智能板振动主动控制中的应用郑　骥,赵东东,张京军(河北工程大学土木学院,河北邯郸　056038)摘要:利用ANSY S 软件对粘贴有压电材料的智能板结构建立有限元模型,通过瞬态动力学分析(时间历程分析)并编写APD L (ansys parameter design language )程序实现了对智能板的振动控制仿真。

首先定义程序所需要的荷载步,并利用每一荷载步下的节点应变作为反馈信号传给压电片,考虑到板是二维结构,其节点应变可用节点挠度的二阶差分来代替。

仿真结果表明了该方法的合理性,为进一步研究智能结构振动主动控制奠定了良好的基础。

关键词:ANSY S ;智能结构;主动控制中图分类号:TH113.1 文献标识码:A 振动主动控制是当前振动工程领域内的高新技术,是动力学、控制、计算机与材料科学等诸多学科的综合。

近年来,随着航空航天、机器人技术的发展,柔性结构的振动控制已经成为人们研究的热点和迫切需要解决的问题之一。

用于振动控制的智能结构中,多用压电材料作为传感器和驱动器,将其贴在梁、板等结构元件的表面或嵌入结构内部。

与传统的振动主动控制方法相比,智能结构可以在不明显改变受控结构的质量和体积的条件下,达到自适应调节减振的目的。

目前对采用压电材料进行主动控制研究的结论通常采用数值仿真[1]分析和实验[2]模型进行验证其有效性。

由于数值仿真需要建立系统的状态空间方程,对于复杂结构很难实现且过程繁琐,而实验模型则需要高昂仪器设备和实验费用。

K arag ülle 等[3]对两自由度弹簧系统振动分别用数值方法计算和ANSY S 软件仿真,得到的结果是一致的,并利用ANSY S 软件对智能结构建模完成了智能梁振动主动控制的仿真过程。

基于Ansys的压电陶瓷材料振动特性仿真与研究【摘要】本文以智能材料中压电陶瓷为研究对象，对其进行的主动振动控制。

本论文总结分析了压电陶瓷的特性和相关的物理学方程，依据理论分析的结果，确定PZT材料的具体参数的选择，分析压电陶瓷特性和力学模型。

利用Ansys 仿真软件对梁进行模态分析得到各阶模态下的振动频率，观察振动情况。

并分析PZT在静态、动态电压下的电致伸缩特性。

然后给梁上的压电陶瓷一个激振，观察和分析梁的振动情况。

最后在梁的某个位置粘贴第二片压电陶瓷，对其施加与第一片相反的电压，抑制梁的振动，观察分析抑制情况。

【关键词】压电陶瓷;Ansys仿真;PZT1.引言压电材料是指具有压电效应，能够实现电能与机械能相互转换的晶体材料，受到压力作用时会在两端面间出现电压，进而表现出压电效应[1]。

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷[2]。

反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形[3]。

压电陶瓷具有价格低廉、易于批量生产等优点，已被广泛应用于社会生产的各个领域，尤其是在超声领域及电子科学技术领域中，压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的优势支配地位，如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等[4]。

随着现代高科技的迅猛发展，智能结构和器件广泛应用于信息技术、新材料技术和航天等高技术领域，并日益显示出其巨大的优越性[5]。

近年来，各国都在积极研究功能陶瓷，研究的重点大都是从老材料中发掘新效应，开拓新应组织和结构入手，寻找新的压电材料。

特别值得重视的是随着材料展，目前国际上对压电材料的应用研究十分活跃[6]。

2.压电陶瓷材料的仿真与分析选取了solid226 ，Solid226单元需要介电常数ε，压电常数数（压电应力矩阵[e]或者压电应变矩阵[d]），弹性常数（柔度矩阵[S]或刚度矩阵[C]），以及密度。

压电陶瓷阻抗分析ANSYS 程序阻抗概念简介 大家都知道直流电路中，欧姆定律中定义的电阻R V I=，电阻的含义代表对电流的阻碍作用。

随着学习的深入，我们知道电压不仅仅有直流电压，更多存在的是交流电压，比如家用电压220V~，变压器等等。

图1一般交流电压有幅值，频率，相位这些参数，如果用实数表示就是00cos()m t v V V ωϕ+=+ (1) v 代表任意时刻的电压，0V 代表偏置，m V 代表幅值，2f ωπ=代表角频率与频率有关，0ϕ为初始相位。

随着学习继续深入，有出现了用虚数表示电压00jwt m v V V e ϕ+=+ (2) 其实如果只要将(2)式中实部取出来，虚部不用管，就和(1)一样了。

既然(2)比(1)还要复杂，为什么还要用复数表示交流电压呢，其实这是因为复数的运算要比实数要简单许多许多。

比如将两个交流电相乘（实际中可以用电子电路中乘法器实现），复数的相乘：只要将幅角相加就行了，实数就要复杂很多。

到此，我们知道了为什么要复数表示阻抗，而任何一个复数都可以用实部和虚部表示：Z R jX =+(3)实部和虚部到底有什么含义呢，很多教科书说实部就是电阻，虚部是由电容产生的容抗和电感产生的感抗组成的。

但大家看完这些介绍依然是云里雾里，太抽象，难以理解。

实际上对于阻抗的理解就直接把其理解为电阻，阻抗就是用来阻碍电流的，比如如果我们要在1V电压施加下获得1A电流，那么我们找1Ω电阻和绝对值为1Ω的阻抗是一样的。

但是用阻抗有个优点，阻抗的虚部是复数，复数不会做功不会产生能量消耗，虽然1Ω的电阻和1Ω的阻抗都能获得1A的电流，但是阻抗由于有虚部因此消耗的能量要少，如果阻抗虚部设计的大一些，实部设计的小一些，这对于节约功耗具有无比重要的意义！注意以上讨论的前提是交流电。

ANSYS获得压电阻抗ANSYS中要输入压电单元的参数，当然自己可以慢慢用GUI输入，也可以用命令流输入，其实最简单的方法就是从网上找一个别人论文中的PZT压电参数直接用File->readinputfrom..命令读取就行了，这里将参数贴在附录A.下面开始建立模型，从最简单的板开始入手。

你好，我正在做一个ANSYS的压电仿真的瞬态分析，我的问题是怎么在耦合的电极上加载正弦电压载荷？2010-09-09 16:012405401032|分类：电脑/网络|浏览2094次我的命令流：/filename,fengming/prep7et,1,plane42,,,1et,2,plane13,7,,1MP,ex,1,9.8e10 !黄铜MP,nuxy,1,.32MP,dens,1,7500mp,dens,2,7750 !PZT材料密度mp,perx,2,919 !介电常数mp,pery,2,826mp,perz,2,919tb,piez,2 !压电常数tbdata,2,-5.3512tbdata,5,15.784tbdata,8,-5.3512tbdata,10,12.295tbdata,15,12.295tb,anel,2,,,0 !弹性常数tbdata,1,1.2035e11,7.509e10,7.5179e10tbdata,7,1.1087e11,7.509e10tbdata,12,1.2035e11tbdata,16,2.1053e10tbdata,19,2.1053e10tbdata,21,2.2584e10k,1,0,0 !建模k,2,1e-2,0k,3,1.5e-2,0k,4,1.5e-2,1e-4k,5,1e-2,1e-4k,6,1e-2,2e-4k,7,0,2e-4k,8,0,1e-4l,1,2l,2,3l,3,4l,4,5l,5,6l,6,7l,7,8l,8,5l,8,1l,5,2al,1,10,8,9al,2,3,4,10al,5,6,7,8type,1mat,1mshape,0,2Dmshkey,1amesh,1,2type,2mat,2mshape,0,2Dmshkey,1amesh,3nsel,s,loc,x,1.5e-2 !位移约束d,all,ux,0d,all,uy,0/solu !瞬态分析antype,transtrnopt,fulltintp,,0.25,0.5,0.5outpr,all,alloutres,all,allkbc,1nsel,s,loc,y,1e-4 !耦合电压cp,1,volt,alld,all,volt,0*do,i,1,50,1t=i/400000time,tnsubst,1v=40*sin(2*3.14159*42881*t)nsel,s,loc,y,2e-4cp,2,volt,alld,all,volt,vsolve*enddofinish这样加载问题在哪里，对不对？谢谢分享到：2010-09-09 18:30提问者采纳我先看看然后晚上回复你！方法是对这呢，不过在写程序的过程出现了一些小失误你看下我这样改下可以不？与你表达的意思是一致的，只是后面的东西有些改正，前面的材料以及模型尺寸楼主你就自己拿捏一些精度与单位就可以了allsel,allfinish/solu !瞬态分析antype,transtrnopt,fulltintp,,0.25,0.5,0.5outpr,all,alloutres,all,allkbc,1nsel,s,loc,y,1e-4 !耦合电压cp,1,volt,allnsel,s,loc,y,2e-4cp,2,volt,allnsel,s,loc,y,1e-4d,all,volt,0allsel,all*do,i,1,50,1t=i/400000time,tnsubst,1v=40*sin(2*3.14159*42881*t)nsel,s,loc,y,2e-4d,all,volt,vallsel,allsolve*enddofinish提问者评价太谢谢你了，对了的，没有警告了！来自：求助得到的回答asel,s,,,56 ！选择面736cp,1,volt,all ！为该表面施加耦合电压*get,n1,node,,num,min ！定义该表面电极节点d,n1,volt,0 ！加0v电压ALLSEL,ALL ！选择全部asel,s,,,896 ！选择面896nsla,s,1 ！选择面上所有节点cp,2,volt,all ！施加耦合电压*get,n2,node,,num,mind,n2,volt,200 ！加幅值200电压ALLSEL,ALL !选择全部。

用ANSYS分析PZT压电方片振动的模态特性张君善【摘要】基于有限元软件ANSYS 14.0的多物理场耦合仿真技术,通过建模对PZT 压电陶瓷方形薄片的振动特性进行了模态分析.通过介绍压电性和多物理场耦合的原理,设置了材料的压电常数和弹性常数矩阵,选用solid 226多物理场单元进行有限元建模和仿真.对几何尺寸为1.5 mm×1.5 mm×0.1 mm的PZT-5H压电陶瓷方片做了振动模态分析,提取了前十阶的模态频率和振型,此分析对高频压电超声换能器的制备有一定的帮助.【期刊名称】《宁夏师范学院学报》【年(卷),期】2015(036)003【总页数】5页(P63-66,85)【关键词】有限元;ANSYS;模态分析;压电振动【作者】张君善【作者单位】武警工程大学装备工程学院,陕西西安710086【正文语种】中文【中图分类】TH164压电效应是有关机械能和电能的耦合转换效应，最初由皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟于1880年发现.具有压电效应的材料是压电材料，大致可分为压电单晶、压电陶瓷、高聚物压电材料和压电复合材料等种类.压电材料广泛应用于压电传感器、谐振器、换能器和致动器等压电器件中，其中PZT(Pb(Zr1-xTix)O3,锆钛酸铅)系列压电陶瓷在压电超声换能器领域中的应用尤为广泛.压电超声换能器是利用压电效应进行电能和机械能转换的器件，其中的核心元件为压电有效层，视换能器用途的不同有效层一般为不同形状、尺寸和厚度的压电材料；压电材料在电场和应力作用下，将电势能和机械能进行耦合变换，并以电信号或者超声信号输出.研究压电层的自由振动特性及瞬态电压激励下的振动特性对于超声换能器的制备有重要意义[1,2].有限单元法是在数学理论和工程应用结合推动下发展起来的一种数值计算方法，其基于变分原理和加权余量法来求解偏微分方程.随着计算机处理性能的不断发展，有限元法的功能也愈加强大，工程应用非常广泛.商业化的大型有限元软件种类繁多，其中ANSYS是一款广泛使用的大型有限元工程软件，其包含模块丰富，功能强大，版本升级迅速，市场占有率高.在压电换能器的制作过程中，器件功能设计和模拟仿真是前期的重要环节，通过功能仿真可以优化换能器的参数，并预判器件的最终性能.据报道，姜德义、雷辉等使用ANSYS做过压电陶瓷应用于混凝土无损检测的振动状态研究[3,4]，林书玉等对压电陶瓷圆片的振动做了深入理论研究[5]，向阳等研究了压电陶瓷圆环的径向振动[6].在高频压电超声换能器的应用中，压电陶瓷有效层的厚度往往要减薄到几十微米，且出于加工方便，其几何形状通常设计为方片形.本文使用ANSYS 14.0对PZT-5H压电陶瓷方片的振动模态进行了仿真，设置了其压电常数、介电常数和弹性常数，得到了前十阶的模态解，分析了满足换能器设计参数的压电片的自由振动特性.压电性是关于力学量和电学量之间的相互作用，压电方程描述的是压电材料的力学量和电学量之间相互关系.根据压电材料所受的机械边界条件和电学边界条件的不同，选择不同的自变量和因变量，可以得到四类不同类型的压电方程.分别为如下四种：a.机械自由和电学短路条件；b.机械夹持和电学短路条件；c.机械自由和电学开路条件；d.机械夹持和电学开路条件.在进行压电换能器的有限元仿真中通常选用第二类压电方程，取应变量S和电场强度E为自变量，应力量T和电位移D为因变量，其方程的简写形式为其中，cE为电场强度恒定时压电材料PZT的弹性常数矩阵，e为压电应力系数矩阵，et为e的转置矩阵，εS为PZT材料的夹持介电常数(恒应变时).ANSYS中的多物理场耦合分析功能可实现压电分析.项目开始时，在过滤菜单preferences的选项卡中设置，同时选取Structural 和Electric两个优选项.多物理场耦合分析中的耦合是直接耦合，而非顺序耦合.多物理场耦合提供的分析单元有solid 226，solid 227等，考虑到建立的模型是规则的方形陶瓷片，选用三维六面体20节点的solid 226单元作为分析单元.压电常数是描述压电材料把电能转换为机械能，或把机械能转换为电能的转换系数.压电常数反映了压电材料所具有的压电效应的强弱，直接关系到压电换能器输出的灵敏度.以厚度模式工作的压电超声换能器，经常采用极化方向沿厚度方向的PZT-5H压电陶瓷，因为其压电常数相对较大，机电耦合系数较高，有利于增强换能器性能.模态分析一般用于确定结构的振动特性，如固有频率和振型(模态).对于无阻尼自由振动，动力学基本方程中的阻尼项和激励项均为零，方程的形式为式中，M是质量矩阵，K为刚度矩阵.任何弹性体的自由振动都可以视为一系列简谐振动的叠加.方程(1)的简谐振动解形式为式中，ω为固有圆频率，δ0为各节点振幅值，也称为振型.将(2)式代入(1)式得，由于自由振动的各节点振幅不全为零，所以(3)式的系数矩阵的行列式必为零.即由于刚度阵和质量阵均为n阶方阵，故(4)式是关于ω2的n次方程，可以求解出n个固有频率.ω2称为广义特征值.对应于每个固有频率，由(3)式可得一组节点振动的振幅值δ0，称为结构的主振型.最小特征值对应的主振型称为基本振型.ANSYS做模态分析时，所用的模态提取方法有分块法(Block Lanczos)、子空间法(Subspace)、缩减法(Reduced)等，常用的是分块法和子空间法.压电常数是描述压电材料把电能转换为机械能，或把机械能转换为电能的转换系数.压电常数反映了压电材料所具有的压电效应的强弱，直接关系到压电换能器输出的灵敏度.本文中，PZT-5H压电陶瓷方片的极化方向沿厚度z方向，在软件中对其压电常数和弹性常数进行设置输入.首先，选取单元类型为solid 226单元，在单元选项option中设置分析类型为piezoelectric.在材料属性中依次设置，密度DENS=7500，磁导率MURX=1；相对介电常数PERX=919，PERY=919，PERZ=826.需要注意的是，在弹性系数矩阵和压电常数矩阵设置时，ANSYS中的阵元排列顺序和IEEE标准的顺序不同，IEEE标准中矩阵元的下标顺序是X，Y，Z，YZ，XZ，XY；在ANSYS中，程序要求的是按照X，Y，Z，XY，YZ，XZ的输入顺序[7].在设定材料参数时应按顺序进行转换后再输入到程序中.程序中，压电常数矩阵采用压电应力矩阵[e]的形式，其单元值如表1所示.在ANSYS中，压电系数矩阵和弹性系数矩阵各有两种形式，各自对应，也可以相互转换.压电应变系数矩阵与弹性顺度矩阵相对应，与压电应力系数矩阵相应的，压电材料的弹性系数矩阵采用劲度矩阵[c]形式，其形式如表2所示.在ANSYS前处理中进行实体建模，首先，在工作平面上创建一个几何尺寸为1.5 mm×1.5 mm的矩形面，然后，用extrude命令沿法向拉伸0.1 mm生成三维实体.在网格划分时，对六面体的边线设定单元划分数目，分别为z方向的短边划分为4份，xy平面内的长边划分为10份，而后，选用六面体形状以掠扫(mapped)的方式对整个几何实体进行网格划分，程序最终的划分单元数为400.边界条件的施加为，选取压电方片上下表面的中心点，节点编号分别为221和552，对其X和Y方向自由度进行约束.电压加载到压电方片的上下表面，加载电压大小为10 V.分析类型设为Modal，求解方法设定为分块法(Block Lanczos)，模态扩展及提取数目均设为10，频率范围设为0 MHz～1 MHz.模态分析结果中，列举了几个频率和振型图，如图2所示.同样，对压电材料的振动状态变形情况，截取了几个图，如图3所示.使用有限元软件ANSYS 14.0，对几何尺寸为1.5 mm×1.5 mm×0.1 mm的PZT-5H压电陶瓷方形薄片进行了原理阐述和振动模态分析，得到了陶瓷方片前十阶的模态频率和振型，以及陶瓷方片的变形情况.在已有的报道中，适合高频领域的正方形压电片的分析较少，而高频压电超声换能器的阵元尺寸小，且通常加工为方形，所以本文的仿真结果对于高频压电超声换能器的制备具有一定的帮助. [1] Qi W K，Cao W W.Finite Element Analysis and Experimental Studieson the Thickness Resonance of Piezocomposite Transducers[J].Ultrasonic Imaging，1996，18:1-9.[2] Ramesh R，Kara H，Bowen C.R.Finite element modelling of dense and porous piezoceramic disc hydrophones[J].Ultrasonics，2005，43(3):173-181.[3] 姜德义，郑拯宇，李林，等.压电陶瓷片耦合振动模态的ANSYS模拟分析[J].传感技术学报，2003，16(4):452-456.[4] 雷辉，周双娥.用ANSYS软件分析压电陶瓷的振动状态[J].湖北大学学报，2008，30，(1)：29-33.[5] 向阳，王丽坤.压电陶瓷圆环径向厚度振动分析[J].压电与声光，2012，34(4)：561-564.[6] 林书玉，张福成.压电陶瓷圆片振子的多模耦合振动[J].电子学报，1994，12(12)：64-69.[7] GB/T 176-1987 IEEE Standard on Piezoelectricity[S].New York:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,1987.ANSI/IEEE Std 176-1987.(SchoolofEquipmentandEngineering，EngineeringUniversityofChineseArmedPoliceForce，Xi'an，Shaanxi 710086)Key words FEM； ANSYS； Modal analysis； Piezoelectric vibration。

压电驱动器ansys有限元分析命令流fini/CLEAR, START/CLEAR/VERIFY,VM175/PREP7ET,1,SOLID98MP,EX,4,1.79E5MP,PRXY,4,0.3MP,PERX,3,730 ! PERMITTIVITY (X AND Y DIRECTION) MP,PERY,3,730MP,PERZ,3,635 ! PERMITTIVITY (Z DIRECTION)TB,PIEZ,3 ! DEFINE PIEZ. TABLETBDATA,16,12.7 ! E61 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,14,12.7 ! E52 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,3,-5.2 ! E13 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,6,-5.2 ! E23 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,9,15.1 ! E33 PIEZOELECTRIC CONSTANT TB,ANEL,3 ! DEFINE STRUCTURAL TABLE TBDATA,1,13.9E4,7.78E4,7.43E4 ! INPUT [C] MATRIX TBDATA,7,13.9E4,7.43E4TBDATA,12,11.5E4TBDATA,16,2.56E4TBDATA,19,2.56E4TBDATA,21,3.06E4boptn,keep,offL=3500wa=200wb=40hp=2hsi=10aerfa=1.5volt1=43guding_kuan=200guding_chang=40r_yuanjiao=10PI=acos(-1)delta_di=L+2*r_yuanjiao/tan(aerfa/2/180*PI)delta_gao=delta_di/2*tan(aerfa/180*PI)zong_gao=delta_gao+wa/2+wb/cos(aerfa/180*PI)-guding_kuan/2*tan(aerfa/180*PI)+guding_chang k,1,-delta_di/2,-wa/2k,2,0,-wa/2k,3,0,-wa/2-delta_gaol,1,2l,1,3l,2,3lfillt,1,2,r_yuanjiaoal,1,2,3,4k,6,0,0k,7,0,-delta_gao-wa/2-wb/cos(aerfa/180*PI)k,8,0,-zong_gaok,9,-guding_kuan/2,-zong_gaok,10,-guding_kuan/2,-delta_gao-wa/2-wb/cos(aerfa/180*PI)+guding_kuan/2*tan(aerfa/180*PI) k,11,-L/2-40-r_yuanjiao+10,-delta_gao-wa/2-wb/cos(aerfa/180*PI)+(L/2+40)*tan(aerfa/180*PI) k,12,-L/2-40-r_yuanjiao+10,0l,6,8l,8,9l,9,10l,10,11l,11,12l,12,6al,5,6,7,8,9,10asba,2,1,,delete,deletevext,3,,,,,-hsivsymm,x,1vsymm,y,1vsymm,y,2vadd,1,2,3,4numcmp,volu !压缩体编号numcmp,area !压缩面编号!去掉多余的面asel,s,loc,z,0,0aadd,allallsel,allasel,s,loc,z,-hsi,-hsiaadd,allallsel,allasel,s,loc,y,-wa/2,-wa/2aadd,allallsel,allasel,s,loc,y,wa/2,wa/2aadd,allallsel,allasel,s,loc,y,-zong_gao,-zong_gaoaadd,allallsel,allasel,s,loc,y,zong_gao,zong_gaoaadd,allallsel,allasel,s,loc,x,-L/2-40-r_yuanjiao+10,-L/2-40-r_yuanjiao+10 aadd,allallsel,allasel,s,loc,x,L/2+40+r_yuanjiao-10,L/2+40+r_yuanjiao-10 aadd,allallsel,allnumcmp,area !压缩面编号!去掉z=0处多余的线asel,s,loc,z,0,0lsla,slsel,r,loc,y,-wa/2,-wa/2lcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,0,0lsla,slsel,r,loc,y,wa/2,wa/2lcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,0,0lsla,slsel,r,loc,y,-zong_gao,-zong_gaolcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,0,0lsla,slsel,r,loc,y,zong_gao,zong_gaolcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,0,0lsla,slsel,r,loc,x,-L/2-40-r_yuanjiao+10,-L/2-40-r_yuanjiao+10 lcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,0,0lsla,slsel,r,loc,x,L/2+40+r_yuanjiao-10,L/2+40+r_yuanjiao-10 lcomb,all,,0allsel,all!去掉z=-hsi处多余的线asel,s,loc,z,-hsi,-hsilsla,slsel,r,loc,y,-wa/2,-wa/2lcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,-hsi,-hsilsla,slsel,r,loc,y,wa/2,wa/2lcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,-hsi,-hsilsla,slsel,r,loc,y,-zong_gao,-zong_gaolcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,-hsi,-hsilsla,slsel,r,loc,y,zong_gao,zong_gaolcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,-hsi,-hsilsla,slsel,r,loc,x,-L/2-40-r_yuanjiao+10,-L/2-40-r_yuanjiao+10 lcomb,all,,0allsel,allasel,s,loc,z,-hsi,-hsilsla,slsel,r,loc,x,L/2+40+r_yuanjiao-10,L/2+40+r_yuanjiao-10 lcomb,all,,0allsel,allnumcop,line !压缩线编号numcop,kp !压缩关键点编号k,,-L/2-40-r_yuanjiao+10,wa/2k,,-L/2-40-r_yuanjiao+10,-delta_gao-wa/2-wb/cos(aerfa/180*PI)+(L/2+40)*tan(aerfa/180*PI) k,,-guding_kuan/2,-delta_gao-wa/2-wb/cos(aerfa/180*PI)+guding_kuan/2*tan(aerfa/180*PI) k,,-guding_kuan/2,-zong_gaok,,guding_kuan/2,-zong_gaok,,guding_kuan/2,-delta_gao-wa/2-wb/cos(aerfa/180*PI)+guding_kuan/2*tan(aerfa/180*PI) k,,L/2+40+r_yuanjiao-10,-delta_gao-wa/2-wb/cos(aerfa/180*PI)+(L/2+40)*tan(aerfa/180*PI) k,,L/2+40+r_yuanjiao-10,wa/2a,47,48,49,50,51,52,53,54k,,-delta_di/2,-wa/2k,,delta_di/2,-wa/2k,,0,-wa/2-delta_gaol,55,56l,55,57l,56,57lfillt,75,76,r_yuanjiaolfillt,75,77,r_yuanjiaoal,75,78,76,77,79asba,25,26,,delete,deletevext,27,,,,,hpvglue,1,2! vdele,3,6,1numcmp,volu !压缩体编号MAT,4VMESH,2MAT,3ESIZE,5VMESH,1FINISH/SOLUANTYP,STATICasel,s,loc,y,-zong_gao,-zong_gao DA,all,all,0allsel,allasel,s,loc,z,hp,hpnsla,snsel,r,loc,x,-L/2,L/2nsel,r,loc,y,-wa/2,wa/2D,all,VOLT,0allsel,allasel,s,loc,z,0,0nsla,snsel,r,loc,x,-L/2,L/2nsel,r,loc,y,-wa/2,wa/2D,all,VOLT,volt1allsel,allSOLVE/POST1/POST1/ESHAPE,1.0 !显示单元/POST1PLNSOL, U, SUM , 0,1.0 !显示总体的位移云图PLNSOL, U, X , 0,1.0 !显示X位移云图PLNSOL, U, Y , 0,1.0 !显示Y位移云图PLNSOL, U, Z , 0,1.0 !显示Z位移云图finiallselnsort,u,sum,0,0,all*get,max_u,sort,0,max*get,max_u,sort,0,minallselnsort,u,x,0,0,all*get,max_u,sort,0,max*get,max_u,sort,0,minallselnsort,u,y,0,0,all*get,max_u,sort,0,max*get,max_u,sort,0,minallselnsort,u,z,0,0,all*get,max_u,sort,0,max*get,max_u,sort,0,min。

ansys压电分析实例Ansys压电分析导读：就爱阅读网友为您分享以下“Ansys压电分析”的资讯，希望对您有所帮助，感谢您对的支持! ansys压电分析压电效应分析是一种结构－电场耦合分析。

当给石英和陶瓷等压电材料加电压时，它们会产生位移，反之若使之振动，则会产生电压。

压力传感器就是压电效应的一种典型的应用。

压电分析（ANSYS/Multiphysics或ANSYS /Mechanical软件包提供这种分析）类型可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析。

压电分析只能用下列单元类型之一：PLANE13, KEYOPT(1)=7，耦合场四边形实体单元SOLID5, KEYOPT(1)=0或3，耦合场六面体单元SOLID98, KEYOPT(1)=0或3，耦合场四面体单元KEYOPT选项激活压电自由度：位移和电压。

对于SOLID5和SOLID98，KEYOPT(1)=3仅激活压电选项。

注意：如果模型中激活了至少一个带有压电自由度（位移和VOLT）的单元，则需要用到VOLT自由度的所有单元必须是上面三种压电单元其中之一。

而且，所有的这些单元均需激活压电自由度。

如果不希望在这些单元中存在压电效应，则需给材料定义非常小的压电特性。

压电KEYOPT用NLGEOM，SSTIF，PSTRES命令可用大挠度和应力刚化作用（参见《ANSYS Commands Reference》对这些命令的更多信息，参见《ANSYS Structural Analysis Guide》及《ANSYS，Inc. Theory Reference》的第三章关于大挠度及应力刚化功能的更多信息）。

对PLANE13，通过设置KEYOPT（1）＝7可用大挠度及应力刚化功能。

对SOLID5及SOLID98通过设置KEYOPT（1）＝3可用大挠度及应力刚化功能。

而且小挠度及应力刚化选项可以通过KEYOPT （1）＝0使用。

注意－对压电分析不能使用自动求解控制。