用ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器

重庆体育彩票_[官网首页]第一章ANSYS 有限元软件简介 1.1ANSYS 软件应用于声学及换能器领域解决的具体问题 1.2ANSYS 软件简介 第二章ANSYS 有限元软件设计换能器的基本理论 2.1有限元法分析换能器机电耦合问题的数理基础 2.2ANSYS 有限元软件用于换能器分析的基本理论 2.3ANSYS 有限元软件用于换能器分析的一般步骤 2.4利用ANSYS 软件来解决磁致伸缩机电耦合问题 第三章ANSYS 有限元软件分析换能器的基本过程 11 3.1 模型简化——准物理模型 11 3.2 建模——有限元模型的生成 12 3.2.1 几何模型的构建 12 3.2.2 属性-从几何模型到有限元模型 13 3.3 求解——解有限元方程 16 3.3.1 求解选项 16 3.3.2 施加载荷 16 3.4 后处理——提取变量参数、获得问题答案 17 第四章 换能器分析模拟实例 18 4.1 压电材料参数与坐标变换 18 4.2 压电换能器模拟分析实例——纵向换能器发射性能分析 20 4.3 几种常见类型压电换能器的分析建模实例 36 4.4 换能器分析中涉及的几个常见问题的讨论 36 4.4.1 预应力问题 45 4.4.2 流体中模态分析 46 4.4.3 磁致伸缩耦合问题 48 参考文献 50 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  第一章ANSYS有限元软件简介 1.1  ANSYS软件应用于声学及换能器领域解决的具体问题  ANSYS 软件是目前比较流行的大型有限元分析软件之一,其 Multiphysics 块可以分析解决多学科问题,如:结构、力学、热学、流体、电磁场以及任意两种或两种以上物理场之间的耦合问题。近年来工程应用领域对多物理场进行耦合 求解的实际问题比较多,分析问题时经常需要考虑两个或多个物理场之间耦合来 更真实地模拟工程实际或真实的物理过程, ANSYS Multiphysics 提供了一个易于 应用的多物理场求解分析模块,包括压电分析、热-结构应力分析、热-电耦合 分析、流体-结构耦合分析、磁-热分析、磁-结构分析、微机电系统(MEMS) 分析等。 与声学及换能器有关的问题分析模拟几乎需要用到以上各种分析场模型,充 分体现了声学与换能器涉及学科领域之宽,学科交叉内容丰富的特点。如: 结构力学分析——分析换能器结构振动模态、基本振型、静态应力分析、动 态应力分析、结构响应等等。应用领域包括进行预应力计算与预应力结构设计(静 力分析)、换能器结构耐静水压设计(静力分析)、换能器本征频率及基本振型 计算(模态分析)、换能器机械振动极限(静力分析、谐波响应分析)、超声换 能器变幅杆设计(静力分析、模态分析)、结构减震设计(谐波响应分析)、声 学目标频谱特性(模态分析、谐波响应分析),固体中声场及波动问题(瞬态分 析、谐波响应分析)等等。重庆体育彩票_[官网首页] 热分析——换能器热极限、超声换能器热效应等等。重庆体育彩票_[官网首页] 流体分析——分析声场分布,单纯流体分析应用较少,主要应用流体-结构 耦合计算有关结构声辐射及换能器响应等等。 磁场分析——用于磁性换能器结构体中的磁场计算及磁路设计。 电磁场分析——在声学问题分析中应用不多,在ANSYS 早期版本中,有利用 电磁场类比解决声学问题的应用实例。 耦合场分析——在声学及换能器领域应用十分广泛,是换能器设计、结构声 辐射等问题分析的重要手段。重庆体育彩票_[官网首页]主要有压电耦合问题(换能器领域中涉及机电转换 耦合的一切分析问题),流体-结构耦合问题(声学换能器在流体介质中建立声 场的分析、结构声辐射问题),以及压电-流体-结构耦合分析问题,它是换能 器分析中多场耦合分析类型,是换能器分析中关键的分析过程(一般进行谐波响 应分析),通过这种耦合分析可以计算换能器的电声特性:如换能器的发射响应 曲线、换能器的阻抗特性、发射(接收)指向性、换能器阵互辐射特性、辐射效 率、接收灵敏度曲线、响应带宽等。通过计算上述电声转换参数及声场分布特性, 可以设计符合技术状态要求的换能器结构,如匹配层换能器、前盖板弯曲耦合宽 带纵向换能器、大开角换能器、窄波束换能器、低频单向换能器等等。关于换能 器模拟分析的基本过程将在后续章节中以实例形式进行详细讲析。 1.2  ANSYS软件简介  下面简要介绍一下ANSYS 软件,便于大家了解软件的全貌,方便使用和更有 效地处理好实际具体问题以及灵活运用软件进行换能器优化设计。 ANSYS 是目前比较流行的有限元分析软件之一,它能解决工程中诸多门类、 诸多学科中形形色色的实际问题,功能非常全面,如: 结构力学:静力分析、模态分析、谐波响应分析、谱分析、瞬态分析,结构 屈曲、蠕变、塑性、大变形、断裂及疲劳等结构非线性分析。 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  热学:传导、对流、辐射问题的稳态分析、瞬态分析,热—结构耦合等。电磁场:静电场分析、稳恒磁场分析、瞬态电磁场分析以及机—磁耦合静力 学或动力学问题等。 流体力学:流体静力学分析、流体动力学分析、湍流及流体中声场分析等等。重庆体育彩票_[官网首页] 耦合场:可以解决多种物理场之间的相互耦合问题,如:压电耦合、热—结 构耦合、磁—热耦合、磁—结构耦合、流体—结构耦合、热—电磁耦合以及任意 两种或两种以上物理场之间的耦合问题等等。重庆体育彩票_[官网首页] 与换能器设计有关的问题主要是结构分析、流体—结构耦合分析、压电耦合 分析,有的时候还要用到电场、磁场分析、热分析等。重庆体育彩票_[官网首页] ANSYS 软件经过不断升级,随着版本提高,软件的建模功能和求解问题的快 捷方便性不断提高,可分析解决的工程实际问题也不断增加,几乎渗透到应用学 科的各个角落,如材料、机械、建筑、汽车、能源、水利、信息、动力、仪表、 航天、海洋、压力容器、地球物理、热物理、武器、传感器、动物、人体等等。 就目前推出的版本,除了通用的建模工具、界面、后处理器扩充以外,声学及换 能器方面涉及的模块增加的新功能不多,大家在使用ANSYS 解决声学及换能器问 题时,6.x 版本以上就完全可以了。下面简要介绍一下 8.x 版本扩充的建模工具、 界面、后处理器等新功能。 新的多物理场求解器是一个通用的、全自动的序贯耦合多场求解器,适用于 ANSYS Multiphysics 中所有场分析能力之间的耦合计算。从技术上讲,多物理场 求解器是一个交叉求解器,有三个嵌套循环:时间、交叉和场循环。重庆体育彩票_[官网首页]多物理场求 解器一个极为重要的特点是各物理场间的界面网格允许不一致,这样,各用户可 以独立地建模和执行他们的分析。 直接耦合场单元:新的 22X 系列单元使 ANSYS 的多物理场直接耦合分析技 术具有更好的一致和易用性, 22X 序列单元是“真正的”耦合场单元,因为它在单 元内部实现物理场之间的耦合作用,进行直接耦合场分析。如SOLID226,选择压 电或压阻选项,进行相关耦合问题的建模分析——压力传感器、传感器、加速度 计、麦克风等。 改进后的流体-结构耦合 FSI 的网格重划分功能使多物理场求解器能够解决 边界或场域形状发生较大变化的流体-固体耦合问题。 模态综合分析技术:组件模态综合(CMS)是一种子结构耦合分析方法,常 用于超大型模型的结构动力分析。 网格划分功能增强:在“Element Shape Control(单元形状控制)”中增加了一 个“Hex Dominant(六面体单元为主)”选项,对实体结构划分非结构化的六面体网 格,该功能对于那些不能通过“Sweep(扫掠)”或其它直接的方式划分成六面体网 格的复杂几何体是非常有用的。对于那些能分割成多个可“Sweep(扫掠)”结构的 复杂几何体,或很薄的复杂几何体,该功能的意义就不是很大。 还有诸如:接触分析功能的改进、材料非线性功能改进、热分析新功能、低 频电磁场分析新功能、循环对称分析、电磁接触、离子光学、“环境设置”新功能等 以上所介绍的内容非常片面,限于本人的理解水平,仅代表个人见解,如与ANSYS 软件本身技术状态有出入,以ANSYS 公司的介绍资料为准,关于ANSYS 软件更多细节和使用说明,请参阅ANSYS/HELP 文件。 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  第二章ANSYS有限元软件设计换能器的基本理论 2.1  有限元法分析换能器机电耦合问题的数理基础 有限元方法是以变分原理和剖分插值为基础,对实际模型进行离散化、构造 插值函数,通过物理上的近似,认为实际点的行为由相邻节点行为的插值关系来 描述,于是把实际的物理问题离散化成求解节点未知量的代数方程组求解问题。 有限元方法所依据的能量变分原理的数学表达式为: (2.1)其中L 为拉格朗日函数 (2.2)对应的压电方程 (2.3)拉格朗日函数表达式中T 代表系统的动能,U 表示外界机械力所作的功,U 表示外界电场力所作的功。若令u表示位移,f 表示系统V内所受体力密度,F表示系统边界面Σ上所受的面力密度, 为电位,q表示自由体电荷密度,σ 表示自由面电荷密度,则拉格朗日函数表达 式中诸分量由下式确定: qdVdS (2.4)经过剖分插值,利用哈密顿原理:变分等于零的条件,作一系列推导得下列 有限元方程: (2.5)上式中 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  是系统位移向量,V是电极面上的电势,Q是电极面上的自由电荷电 是陶瓷片的钳定电容。方程(2.5)中第一式表征机械载荷力与机电耦合力作用下的动力学方程,第二式 则表征外电场与机电耦合作用下的电路状态方程。 有限元方法几乎能解决换能器的所有问题,包括结构应力分析、振动特性模 拟,发射及接收声电转换问题以及远场辐射问题等等。但是在处理远场辐射问题 时,则由于不能把区域取无限大(实际上取的很有限),所以不能把结构细节与远 场行为同时描述得很清楚,因此有限元方法在处理远场辐射问题时求解精度受到 限制,在许多声学计算中,在一定误差允许条件下,有限元方法能给出令人满意 的结果,在精度要求较高或者结构体线度较大时(如分析基阵等),需要将流体空 间取得更大,网格分得更细,于是要花费更多的计算时间。 2.2  ANSYS有限元软件用于换能器分析的基本理论 ANSYS 是目前比较流行的有限元分析软件之一,它能解决工程中诸多学科中 形形色色的实际问题,功能非常全面,如:结构力学、电磁场、流体力学、热学、 耦合场(多种物理场之间的相互耦合)等问题。与换能器设计有关的问题主要是 结构分析、流体—结构耦合分析、压电耦合分析,有的时候还要用到电磁场分析、 热分析等。 ANSYS 在处理结构力学线性问题所依赖的有限元方程如下: 是系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,在结构参数(包括几何参数和材料参数)给定,及有限元网格生成后, 已经完全唯一确定了,{ 为时间的任意函数,属于瞬态结构分析,依赖方程就是(2.6)式。如果{ 是时间的简谐函数,则对应的分析类型为谐波分析,依赖的方程可化为: (2.7)如果{ ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  ,则属于静力分析,根据准静态原理求解力作用终点时的状态{ (2.9)针对控制方程(2.6)式的最普遍形式,如果将各参数矩阵 都考虑成具有广义涵义,那么几乎所有物理场的线性问题都可以等效成上面的模型,最后用统一的求解器来求解,所以在求解中ANSYS 处理的是纯数学问题,只不过最后输出的数据将按前处理中结构、单元类型中的 约定,而赋予广义位移向量{ 具体的物理含义。如此ANSYS的求解内核是面向 诸多广义场生成的数学模型的普适求解器。这样便可以构造不同物理场的求解问 题,下面给出两个典型例子:求解声辐射问题中流体—结构耦合的控制方程: (2.10)在处理问题时,采用直接耦合方式将广义位移向量取作结构位移向量{ 的组合,而在广义刚度阵,广义质量阵中加入流体—结构耦合分量 fs,其它系数矩阵分量以足标s 区分结构与流体部分。关于耦合分量的具体表达式在手册中有详细介绍。 在解决压电耦合问题时采取广义矩阵和广义向量表示的控制方程如下: (2.11)将广义位移向量取作结构位移向量{ 的组合;广义质量阵与广义阻尼阵中以 ,具体形式在手册中有更详细的表述。2.3  ANSYS有限元软件用于换能器分析的一般步骤  图2.1 为利用ANSYS 软件分析换能器性能的一般步骤示意图,整体上可分以 下四步: 1.设计者“预处理” 设计者“预处理”是分析换能器性能的第一步,也是关键的一步,其宗旨就 是从换能器的实际工程模型出发,结合具体分析的问题,通过采取适当的简化与 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  近似,抽象出对应的准物理模型,准物理模型既要求能够模拟出换能器待求解问题的本质,又要符合ANSYS 前处理的要求和保证最终求解的精度,准物理模型中 应当忽略(实际上可能没有必要保留)那些与待分析问题无关的结构细节,有时 甚至要作某种拆分处理,使分析的问题更为直接、明朗和便于求解。选择恰当的 准物理模型,则既能保证求解精度,又能大大提高计算速度。如一般分析中都要 忽略粘接胶层而直接描述成连续结构体;又如分析纵向换能器谐波响应时,要忽 略结构体中的预应力作用;再如进行弯张换能器振动辐射特性分析时,可以把实 际结构拆分成两部分,分别处理。 分析的 具体问题 几何模型 材料 参数 单元模型 有限元 模型 设计者“预处理” 前处理 求解 后处理 图2.1 利用ANSYS 软件分析换能器性能的一般步骤示意图 2.前处理 前处理是设计者与ANSYS 打交道的第一道手续,通过前处理,设计者要将准 物理模型“翻译”成有限元模型,即生成有限元网格,有限元模型中包括准物理 模型的几何信息、材料信息和待求解问题的信息,这些信息由设计者通过几何建 模、材料参数输入和单元类型选择等步骤完成。所生成的有限元模型中,已经具 备了广义质量阵,广义刚度阵和广义阻尼阵的全部内容。在前处理中,设计者要 合理地调整有限元网格的密度,兼顾求解精度与求解速度,有时要通过试算才能 最终确定。 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  3.求解求解是分析换能器性能的主体内容。求解过程中有限元程序处理的是纯数学 问题,设计者要设定分析类型和加上已知的载荷及边界条件,求解器才能按设计 者的“旨意”去求解对应的控制方程,得到广义位移向量及其它一些间接结果。 4.后处理 后处理是设计者与ANSYS 交流信息的最后一个环节,ANSYS 的直接计算结 果是一系列节点广义位移的数值,而设计者更应该心中有“数”,真正知道这些数 据中哪些有用,怎样用才能得到所求解问题的答案。这一步骤实际上是设计者利 用ANSYS 提供的功能强的后处理器(包括计算工具、图形工具等)将有限元方程 的解再“反馈”回具体问题中,通过这一“转译”过程,设计者容易发现所设计 结构中的弱点或不足,经过分析、改进后,再作计算。这样经过几次反复,便可 以得到具有特定指标参数的换能器优化结构设计方案。 2.4  利用ANSYS软件来解决磁致伸缩机电耦合问题  ANSYS 有限元软件在换能器设计中被许多研究者采用,但是在这些工作中多 数是利用ANSYS 软件处理压电型换能器。ANSYS 软件有专门求解压电耦合类问 题的计算功能,却不能直接用于解决磁致伸缩机电耦合问题,因此给磁致伸缩换 能器的模拟与设计带来很大的不便,目前超磁致伸缩材料(Terfenol-D)在大功率 低频-甚低频换能器中应用越来越广,并且也应用于复杂结构类型的换能器(如弯 张换能器),而对这些换能器的分析用经典方法(如等效电路方法)则显得不方便, 能求解的指标参数很有限,且精度较差,因此迫切需要通过开发通用有限元软件 的功能来解决。其实类似的工作在应用ANSYS 低版本程序解决声学问题(当时的 版本没有声学分析模块)中已有过尝试。文献中利用声学-固体力学比拟法,探讨 解决利用固体单元模拟声介质,最终达到求解声学问题的目的。本节着重探讨如 何通过压磁—压电比拟法,实现借助ANSYS 压电耦合求解功能来分析计算磁致伸 缩型换能器的电声转换问题。 从问题的处理思路上讲,大概有两条途径可循: 其一,ANSYS 有限元软件能够解决许多物理场问题,它的基本思路是把有限 元控制方程中的参数矩阵 都考虑成具有广义涵义,然后通过各种物理场内在的规律性理论得到这些广义参数矩阵和 广义向量的表达形式,而最后归结到统一的数学问题。这样,我们可以从磁致伸 缩基本方程出发,将广义参数矩阵中扩充进耦合分量成分,广义位移向量和广义 载荷向量中加入对应的描述磁场特性的向量分量,再行求解。 第二条可行途径则直接从压电耦合场分析方法出发,通过压磁—压电比拟法, 而直接获得求解思路。这种方法的优点是推导过程直接、简捷,输入参量和提取 的变量可参考压电耦合分析中的处理办法,并且容易导出利用输出数据结果,计 算换能器电声性能的公式,物理意义鲜明。下面我们将利用这种办法解决本节开 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  始所提出的问题。ANSYS 解决压电耦合问题时选择如下压电方程: (2.12)其中电弹常数: —恒电场强度下的弹性系数e—压电应力常数 —恒应变(截止)介电常数可以选择与(2.12)相对应的磁致伸缩方程,对于力学量S 作自变量,T (2.13)其中磁弹常数: —磁致伸缩应变常数,表示单位应变引起的磁通密度变化量,它与磁致伸缩应力常数σ 之间的关系为β —恒应变(截止)磁导率。从方程(2.12)和(2.13)的形式上看,只要把磁学量与电学量等效: (2.14)磁弹常数与电弹常数等效: (2.15)则两个方程所描述的物理问题就可以化为同一形式的数学方程。如此推论, 它们的有限元控制方程也具有相同的表现形式,参考方程(2.11)可以写出磁致伸缩 机电耦合的有限元控制方程: (2.16)磁致伸缩耦合项出现在广义刚度阵中, ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  是磁致伸缩耦合矩阵,由材料的β常数和单元插值函数决定,对应于压电耦 合中的机电耦合矩阵 称作磁性机电耦合矩阵。由(2.16)式计算出的广义位移向量和广义力向量中的{ 应该具有磁场性质的含义。下面仍根据等效类比关系来阐明{ 的物理意义。在方程(2.11)中广义位移 (2.17)表示x 点之间的电压(电势差)。而方程(2.16)中广义位移为: (2.18)如此看来,A 的物理意义仍不明朗,请参见图2.2,沿图示回路积分: dlnI (2.19)nI 是回路内的安匝数。 (2.20)所以可得出下面近似表达式: dlnI (2.21)可见A 的物理含义就代表磁致伸缩材料中x 一段上的激磁安匝数。方程(2.11)中广义力 (2.22)代表Σ 截面上积累的自由电荷。 方程(2.16)中广义力为: (2.23)(2.23)式的物理意义很鲜明,它表示截面Σ 穿过的磁通量。 根据这些赋予具体物理意义的广义位移和广义力可以计算出换能器性能参 工作,如图2.3所示,那么在换能器线圈上的电压为 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  (2.25)其中Z 为换能器阻挡阻抗(或谓静态阻抗)。X4 X1 X2 X3 图2.2描述广义位移A 的物理意义示意图 图中表示磁致伸缩材料中H值>>线圈外的H值 图2.3描述磁致伸缩换能器阻抗关系简图 在求解中,若同时考虑流体-结构耦合作用,将换能器与周围介质(足够大区 域)作有限元网格划分,可一并求出声场参数,结合上面给出的电输入量(U,I) 的值便可以计算出一系列换能器性能参数,如输入阻抗曲线、声源级、发射电压 响应、发射电流响应、指向性图、机械品质因数及通频带带宽等等。 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  第三章ANSYS有限元软件分析换能器的基本过程 3.1  模型简化——准物理模型 所谓准物理模型,即从换能器的实际工程模型出发,结合具体分析的问题, 通过采取适当的简化与近似,抽象出既能够模拟出换能器待求解问题的本质,又 符合ANSYS 前处理的要求,同时可保证最终求解精度的中间过程模型,因此准物 理模型中应当忽略(实际上可能没有必要保留)那些与待分析问题无关的结构细 节,有时甚至要作某种拆分处理,使分析的问题更为直接、明朗和便于求解。选 择恰当的准物理模型,既能保证求解精度,又能大大提高计算速度。 准物理模型的产生十分复杂,模型也未尽完全相同,对有经验的分析人员而 言可能在顷刻之间构思成准物理模型,甚至可能直接进行建模,如此要求分析人 员有换能器工程经验、对所分析的换能器原理比较清楚、熟悉有关的专业知识(物 理、力学、材料科学等)、熟悉 ANSYS 软件,因此能够达到娴熟的水平绝非三两 日之功。 准物理模型要视换能器的结构复杂程度、分析问题的具体特点以及与ANSYS 软件功能模块的“距离”情况而定。尽管如此还要因人而异,如有人习惯在后处 理中作充分的运算,而建模可以相对简单些;有人愿意在前处理建模多下工夫, 而后处理得到分析问题结果比较直接简捷;还有人喜欢对同一换能器的不同问题 的分析,分别建立模型,计算简捷、物理图像清晰。 下面列举实例具体来说明准物理模型处理的一般原则: 静力分析一般比较宽松,可以拆分结构、忽略粘接剂、忽略对应力无贡献的螺帽螺钉、电极片、忽略纯共振质量部分、忽略压电元件在电路上的串 并联问题、忽略透声橡胶等等。 低频换能器的分析一般也可以忽略粘接剂、电极片、透声橡胶和一些结构细节等等。 频率高的换能器(如几百千赫或更高频率)一般要非常小心,一般不可以忽略粘接剂、透声橡胶和某些结构细节,尤其是薄膜元件换能器,粘接剂 不可忽略。 纯结构、工艺附件——如通过去耦元件连接的安装件、测试夹具座、空气背衬的金属外壳、防水涂层、电缆及接头、屏蔽网等不必进行建模。 空气背衬的金属外壳虽然不必按实体模型建模,但要对流体施加刚性边界约束,模拟刚性外壳的作用。 水声换能器模拟计算,需要对流体进行建模,在只分析频率特性、机电转换耦合特性(如机电耦合系数)、结构振形等问题时,可以建较小区间的 流体模型;在分析机声、电声特性、声场指向性等问题时,必须在足够大 的流体空间建模,并且流体空间分的单元密度要足够细才能保证计算精 在此需要说明一点:ANSYS软件的功能非常强大,并且随着版本升级其 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  功能得到迅速扩充,许多模型即便不作简化处理,也可以求得令人满意的结果,只是建模烦琐、计算量和计算时间上不十分经济罢了。另外在此对准物 理模型的建立作一个形象比喻,好比一个剪纸艺人要完成一个出色的剪纸作 品,需要在纸上先画出作品的样图,对于样图可以根据艺人的艺高水平有不 同的情况:学徒的入门者需要师傅带笔画此样图,较高水平的可以自己创作 仔细画出样图,高水平的艺人可以只画出创作轮廓,高超水平者可以直接根 据创作腹稿进行剪纸献艺。 3.2  建模——有限元模型的生成 此过程的使命就是将准物理模型“翻译”成有限元模型,即生成有限元网格, 有限元模型中包括准物理模型的几何信息、材料信息和待求解问题的信息,这些 信息由设计者通过几何建模、材料参数输入和单元类型选择等步骤完成。所生成 的有限元模型中,已经具备了广义质量阵,广义刚度阵和广义阻尼阵的全部内容。 在前处理中,设计者要合理地调整有限元网格的密度,兼顾求解精度与求解速度, 有时要通过试算才能最终确定。下面就应用最为普遍的建模方法——实体建模的 建模顺序介绍一下建模的全过程,其它建模方法可参阅ANSYS 手册。 3.2.1 几何模型的构建 几何模型就是将准物理模型的全部几何信息体现出来,表现为若干几何要素 (体、面、线、点)以及它们之间的相互关系(属于、包含、以共有次级要素相 互联系、以一定坐标关系分立等等)。一个复杂的几何模型,可以通过多种建模途 径完成,ANSYS 的前处理器(preprocessor :PREP7)提供功能强大的几何建模 工具用来生成几何模型: 直接创建几何图形(create)如图3.1 所示,直接创建几何图形的操作框图,可以通过不同方式生成某一几 何图形。 模型变换与处理ANSYS 提供了方便适用的模型运算处理工具,包括拉伸、行迹、相交、相加、 子结构、切分、粘结、交迭、分离等布尔运算工具,移动、修改工具,拷贝、镜 像工具,删除工具,几何模型检查工具以及用结果文件中的位移修改模型节点工 具等等。利用这些模型变换与处理工具,很方便处理生成那些直接构成体、面、 线、点所不便得到的几何元素: Operate ——运算工具,包括拉伸、行迹、相交、相加、子结构、切分、粘 结、交迭、分离等布尔运算工具 Move/modify ——移动、修改工具 Copy ——拷贝工具 Reflect ——镜像工具 Check geometric model——几何模型检查工具 Delete ——删除工具 ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器  Updategeometric model ——用结果文件中的位移修改模型节点工具 图3.1 直接创建几何图形的操作框图 3.2.2 属性-从几何模型到有限元模型 属性是赋予几何模型的一系列与材料、结构、待分析问题以及场模型等相关 的一些必要的信息和理论知识(包括合理的假设)。 在ANSYS 中涉及的属性包括:材料属性、单元类型、实常数、坐标系、单位 制等等。其中坐标系、单位制可以用默认状态(笛卡尔坐标系和国际单位制)。 材料属性材料属性需要定义模型中涉及的所有材料与所分析问题相关的材料参数,根据 材料的特点和涉及的学科范畴需要定义的材料参数各不相同,在此仅介绍声学尤 其是换能器分析中所涉及的线性材料参数。 (1) 力学参数: 力学参数主要包括:密度、杨氏模量、泊松比、摩擦系数、阻尼系数等等, 杨氏模量(E)和泊松比(σ )描述材料的弹性特性,可以用正交各向异性杨氏模量(E )表示,也可以用各向异性刚度矩阵[C]或顺性矩阵[S]表示。如PZT-4压电 Keypoints Line Line Straightline activecoordinate Overlaid areaTangent lineTangent linesNormal lineNormal lineAngle linesArcs Through endkeypoints radiusFull circle Spline Splinethrough locations Spline through keypoints Segmented spline Line fillet Areas Arbitrary Through keypoints Overlaid offsetRe cta ngle dimensionsCircle Solid circle Annulus Partial annulus endpoints dimensionsPolygon Triangle Square Pentagon Hexagon Septagon Octagon 任意正多边形 任意多边形 ArbitraryThrough keypoints areaBlock centercorner dimensionsCylinde Solidcylinder Hollow cylinder Partial cylinder endpoints dimensionsPris TriangularSquare Pentagonal Hexagonal Septagonal Octagonal 任意正多棱柱 任意棱柱 Sphere Solid sphere Hollow sphere endpoints dimensionsCone

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