压电阻抗ANSYS程序.pdf

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1、压电陶瓷阻抗分析压电陶瓷阻抗分析 ANSYSANSYS 程序程序阻抗概念简介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RV，电阻的含义代表对电流I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v V0Vmcos(t 0)(1)v代表任意时刻的电压，V0代表偏置，Vm代表幅值， 2f代表角频率与频率有关，0为初始相位。随着学习继续深入，有出现了用虚数表示电压v V0Vmejwt0(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

2、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 1电阻和绝

3、对值为 1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 1的电阻和 1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。ANSYSANSYS 获得压电阻抗获得压电阻抗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

4、始入手。板的尺寸为24*4*0.35mm，这很简单用 block 命令或者直接 GUI。建立模型后要进行网格划分，用 GUI 直观简单，MeshTool 选中长宽厚，分别设置划分个数为 10*5*2，划分类型为映射网格，计算快，看起来漂亮图 2施加电压要用到 CoupledField的概念，耦合场其实就是将选中的面偶合成一个量，也就是如果要对某一点施加电压，那么耦合的面都会具有所施加的电压值，这在施加电压的时候只要施加在耦合的点（ANSYS 映射的原点就是耦合点，选错了点ANSYS 会报错的）上就行了。耦合的时候要用到Select-entities确定要耦合的面，否则你得一个一个的选在同一个面

5、上的点。注意每次选完之后都要用select-everything 来选中整体。图 3耦合完电压之后要确定分析类型（analysistype），分析类型为谐响应分析（harmonic）。然后是施加边界条件，为了求解方便，所施加的电压都是1V，如果不是 1V 得出来的不是阻抗，而是阻抗的倍数。施加完电压后要确定分析的频率范围，一般压电陶瓷阻抗都在 10KHz 到 100KHz 之间，这里可以根据自己需要输入（在 loadstepopts-Time/Freq中输入），要选择 ramp 类型否则结果不对 numbofsteps选择用 100 步求解，没有 numbofsteps 会什么都的不出来，如果

6、有什么问题记得检查这一块。阻尼因子可以输入常量0.005，不输入也行。查看结果在 TimehistPostpro 中查看，进去后电极+号添加查看节点的信息。选择ReactionForce-CurrentFlow。节点号选择施加电压面耦合的点（这里为 161 号节点）。最后选择图像图标（图 6）查看图形信息。图 4图 5图 6图 7结果很像阻抗可惜这个不是，需要进行处理才能得到真正的阻抗。阻抗的表达式见3-41.利用这个公式在 ANSYS 中输入公式进行计算。阻抗的幅值和相位角这时候都可以输出来了，只要改变右上角的 Amplitude 或者 phaseangle就可以输出不同的曲线了，当然如果要

7、输出导纳也很简单，只要继续用ANSYS中的计算工具输入下面表达式就OK 了。如果想要用 Origin 进行数据后处理，点击 ListData 阻抗和相位都在这里了随便怎么处理都行。这是在 GUI 中获得阻抗，只要一步一步按照命令流进行翻译应该很容易获得命令流，希望有人能继续进行补充。附录 AFINISH/CLEAR!-Materialandelement-/PREP7ET,1,SOLID5,3ET,2,SOLID45MP,DENS,1,7500!PZTDENSITYMP,PERX,1,730!PZTPERMITTIVITY(XANDYDIRECTION)MP,PERZ,1,635!PZTPER

8、MITTIVITY(ZDIRECTION)MP,DENS,2,1360!SiDensity2330kg/m3MP,EX,2,500E9!SiYoungsmodulus=130GPaMP,PRXY,2,0.17!SiPoissonration=0.35TB,PIEZ,1!DEFINEPIEZ.TABLETBDATA,16,12.7!E61PIEZOELECTRICCONSTANTTBDATA,14,12.7!E52PIEZOELECTRICCONSTANTTBDATA,3,-5.2!E13PIEZOELECTRICCONSTANTTBDATA,6,-5.2!E23PIEZOELECTRICCONSTANTTBDATA,9,15.1!E33PIEZOELECTRICCONSTANTTB,ANEL,1!DEFINESTRUCTURALTABLETBDATA,1,13.9E10,7.78E10,7.43E10!INPUTCMATRIXTBDATA,7,13.9E10,7.43E10TBDATA,12,11.5E10TBDATA,16,2.56E10TBDATA,19,3.06E10TBDATA,21,3.06E10