1、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： 10 个
2、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EEEEEE ccccC654436325221141对 称 63261554432311eeeSS321注意！一般顺序为：XX，YY，
3、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
4、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 1r2r3rhjtytdt对应值 10mm 17mm 20mm 10mm 0.5mm 0.5mm 3mm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
5、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
6、单位，即 MKS 单位。CGS：CGS 单位系统，即 cm,g,s, 等。cMPA：MPA 单位系统，即 mm,Kg,s, 等。BFT：用英尺的单位系统，即 ft,slug,s, 等。FBIN：用英寸的单位系统，即 in,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/
7、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, 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
8、：密度 ，杨氏模量 ，泊松比 。3/2790mkg 210/5.7mNE34.0压电陶瓷 PZT5 的材料参数：（ANSYS 输入参数）密度 35/刚度矩阵（也可输入柔顺矩阵） 210/.20016.152.7. 0.4.1 mNCE 压电应力常数矩阵 2/08.154.53.mce 介电常数矩阵 83096S也可输入绝对值 mFmFS /10735.08.1./154.830916 82 （1） 输入黄铜材料参数：主菜单栏Preprocessor-Material PropsMaterial Models ,出现对话框，点击左边 Material Model Number 1 ,点击右边Fa
9、voritesLinear 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 Material Model Number 2 ,点击右边 S
10、tructuralDensity，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=8.11e-9 ,PZRZ=7.35e-9定义
11、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, 0,0)5 (10e-3, 0, 0.5
12、e-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PreprocessorModeling
13、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 , 表示全部面都要旋转。之后又出现对话框，要求选择旋转轴
14、，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 Volumes用鼠标点中金属
15、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 Cnt
16、rlsManualSizeLinesPicked 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 Al
17、l，表示所有体积都按 6 面体单元划分。（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（
18、1） 旋转方向固定主菜单栏PreprocessorLoadsDefine 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
19、为 0V ，陶瓷上底面为 1V 。主菜单栏PreprocessorLoadsDefine 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。
