ANSYS在超声电机设计中的应用

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1、ANSYS在超声电机设计中的应用1引言ANSYS软件是馳结构、流体.电磁场、声场和藕合场分析于一体的大型通用有限元软件，其具*強大的辛限元分析和优化设计功能。它能与大多数CAD软件连接，实现数据的共享和交换，ANSYS自带的编程语言APDL可供用户以ANSYS为平台，进行二次开发，是强有力的计算工具，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。在超声电机的设计研究中，ANSYS软件受到广大研究入员的青睐，已被广泛地应用于趙声电机振子模态设计和优化中。2ANSYS主要分析功能ANSYS软件的主要功能有齋力学分

2、析.动力学方析.热力学分析.流体分析.藕合场分析、结构优化等。当惯性和阻尼对结构影响不显著时，可用赭力学分析求解稳态外载荷弓I起的位移.虹力、应变和力。也可以考虑结构的非线性特性，如大变形、大应变、应力刚化.接触.塑性、超弹及端变等。动力学分析包括棋态方析.谱分析、谐响应分析和瞬态动力学分析，主要用来分析复杂结构在空间中的运动特性,并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、相变分析和热-结构祸合分析。可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。计募系统或部件由于热载荷弓I起的温度分布

3、及热梯度、热流率、热流密度等参数。流体力学分析包括计算流体力学分析(层流、湍流和热流体)和声学分析。对流币权单元进行稳态或瞬态分析。ANSYS软件作为_个功能强大的结构分析和结构优化软件，具辛多物理场祸合的功負J允许在同一棋型上进行各种祸合计算，如：热-应力、磁-热.磁-结构、流体-热、流体-结构.热-电.电路藕合电磁场、电磁及压电祸合分析等。通过定义设计变量.状态变量和目标函数等优化变量，可利用ANSYS的优化工具和参数设计语言APDL对棋型进行尺寸.形状、支撵位置.制造费用、固有频率、材料等优化设计。ANSYS程

4、序提供了两种优化的方法：零阶方法和一阶方法。对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析-评估-修正的循环过程。3ANSYS在超声电机设计中的应用超声电机(UltrasonicMotor)是利用压电陶瓷(PiezoelectricCeramic)具有的逆压电效应，即在交变电场作用下，压电陶瓷会产生伸缩现象，通过各种伸缩振动模式的转换与祸合，将电能直接转变为机械振动能，并利用摩擦转变成施转(或其它运动方式)机械能的驭动装置。其原理如图所示。超声电机是一种新的自动控制执行器，是对传统电磁电机的突破和k力的补充，辛很大

5、的应用前景。有限元法是对超声电机振子进行频率、棋态分析时最常用的方法。它的优点在于能适应较为复杂的情况，包括振子所受的力和约束边界条件，结构阻尼，和不同材料.复杂形状组成的结构等。ANSYS软件的出现，为对超声电机进行有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动仿真.模块化设计等方面的设计提供了一种实现手段。趨声电机实际上是趙声频域内的振动电机。不管是行波型或驻波型、旋转型或直线型超声电机都是依靠压电陶瓷的逆压电效应来激发起定子在趙声域内的共振(振4®为微米级)，再通过定子转子或定子动子之间的摩擦作用，将其微米级共振振动转

6、换为转子或动子的单方向的宏观转动或直线运动。由此，定子的动态特性(共振频率及其振型)就至关童要。选取超声电机定子的最佳共振频率及其振型，并根据其振型来设计压电陶瓷片的形状及其分区极化的配置是超声电机设计有频率的首要问题。应用ANSYS进行模态分析求瑶超声电机振子的和振型，其动力方程是：[M](x(t))+[K](x(t))=O[M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵，(x(t))为位移向量。[K]中的毎一个元素都与结构棋型中的节点坐标有关，为保证[K]能够较好地反映结构的真实刚度，应使所立的实体棋型真实反映棋拟结构的几何形

7、状。还应K立一个准确的力学模型，施加夕卜载荷和边界约WWW・口之口尸£入•匸：口M束条件。模态分析可以确定超声电机的振动棋态、共振频率以及共振时的振型，根据所得结果和期望结果的差异来调擅电机结构尺寸并进彳亍支撑设计，对于初步的电机结构设计辛很大作用。在完成电机棋态分析和设计后,可以确定谐响应分析的频率范接着进行谐响应分析。谐响应分析可以求出某个节点在某个频率点下的振4®,这个振4®是绝对值，不象模态分析中，振4®是一个相对值。卉根据谐响应分析的结果对电机的定子的结构进行改进，进一步优化设计电机。利用ANSYS软件强大

8、的分析和优化功能，我们设计了多种直线型趙声电机，对其运动机理进行了研究，为以后的研究奠定了良好的基础。