用ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器.pdf

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1、用用AANNSSYYSS有有限限元元软软件件模模拟拟分分析析声声学学换换能能器器中国科学院声学研究所莫喜平用ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器目录第一章ANSYS有限元软件简介11.1ANSYS软件应用于声学及换能器领域解决的具体问题11.2ANSYS软件简介1第二章ANSYS有限元软件设计换能器的基本理论32.1有限元法分析换能器机电耦合问题的数理基础32.2ANSYS有限元软件用于换能器分析的基本理论42.3ANSYS有限元软件用于换能器分析的一般步骤52.4利用ANSYS软件来解决磁致伸缩机电耦合问题7第三章ANSYS有限元软件分析换

2、能器的基本过程113.1模型简化——准物理模型113.2建模——有限元模型的生成123.2.1几何模型的构建123.2.2属性－从几何模型到有限元模型133.3求解——解有限元方程163.3.1求解选项163.3.2施加载荷163.4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184.1压电材料参数与坐标变换184.2压电换能器模拟分析实例——纵向换能器发射性能分析204.3几种常见类型压电换能器的分析建模实例364.4换能器分析中涉及的几个常见问题的讨论364.4.1预应力问题454.4.2流体中模态分析464.4.3磁致

3、伸缩耦合问题48参考文献50莫喜平：用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1.1ANSYS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模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，ANSYSMultiphysics提供了一个易于应用的多物

4、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

5、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。热分析——换能器热极限、超声换能器热效应等等。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

6、问题分析的重要手段。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

7、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。1.2ANSYS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。-1-莫喜平：用ANSYS

8、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