CN111553106A - 一种基于ansys的gui界面的压电致动器运动过程仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ANSYS的GUI界面的分析压电致动器运动变形的仿真方法，包括步骤：S1.建立压电致动器的三维仿真模型；其中，所述仿真模型包括压电片模型和夹层金属片模型；S2.基于ANSYS的GUI界面分别对建立的压电片模型和夹层金属片模型定义单元格类型和材料属性；S3.基于ANSYS的GUI界面分别对建立的压电片模型和夹层金属片模型进行网格划分；S4.基于ANSYS的GUI界面进行模态分析确定该压电致动器的最佳变形模态和谐振频率；S5.基于ANSYS的GUI界面进行谐响应分析得出该压电致动器的响应幅值曲线。该方法入门简单，上手极快，完整有序的操作指令流程有利于使用者对于有限元分析的概念的理解，提高初学者对于ANSYS的掌握效率，节省计算时间，提高计算精度。

Description

一种基于ANSYS的GUI界面的压电致动器运动过程仿真方法
技术领域
本发明涉及压电致动器运动变形仿真领域，特别涉及一种基于ANSYS的GUI界面的压电致动器运动变形仿真方法。
背景技术
压电致动器作为压电智能材料最重要的应用,近年来成为微电机领域的一个研究热点。在精密定位控制系统中,采用压电致动器作为其驱动控制部件,已经成为精密定位控制领域的技术发展趋势。压电致动器通过应用压电陶瓷所具有施加电压发生度变形(伸长、收缩)的特性，广泛用于手机相机模块的自动聚焦、数码相机的图像稳定系统等位置控制设备。
压电致动器不仅尺寸小，薄型，且具有高回变位的特点，为相机模块的小型化、薄型化做出了贡献。
传统有限元法采用APDL编程语言操作，虽然有利于规范化操作，但大量编程语言指令的基本要求大大提高了初学者进入有限元分析的门槛。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种基于ANSYS的GUI界面的压电致动器运动变形的仿真方法，以解决APDL语言建模复杂，现有方法计算精度低，计算模型单元数量冗杂及计算时间长的问题；通过导入Solidworks建模软件输出的.x_t文件，利用ANSYS有限元软件中APDL语言中的GUI界面，输入压电片的压电常数矩阵、介电常数矩阵、柔顺常数矩阵、密度等实际参数，并施加一定频率的10V正弦交流电压，就可以建立以压电致动器的谐响应分析模型来预测压电致动器的横纵向变形幅值及曲线。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于ANSYS的GUI界面的分析压电致动器运动变形的仿真方法，包括步骤：
S1.建立压电致动器的三维仿真模型；其中，所述仿真模型包括压电片模型和夹层金属片模型；
S2.基于ANSYS的GUI界面分别对建立的压电片模型和夹层金属片模型定义单元格类型和材料属性；
S3.基于ANSYS的GUI界面分别对建立的压电片模型和夹层金属片模型进行网格划分；
S4.基于ANSYS的GUI界面进行模态分析确定该压电致动器的最佳变形模态和谐振频率；
S5.基于ANSYS的GUI界面进行谐响应分析得出该压电致动器的响应幅值曲线。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤S1具体包括：
S11，以Solidworks软件建立压电致动器模型并保存为.x_t格式，其中长度尺寸单位选择为m；对上下压电片和金属中间层进行定位装配；
S12，基于ANSYS的GUI界面将压电致动器.x_t文件的导入ANSYS；
S13，基于ANSYS的GUI界面将导入的压电致动器模型实体化。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤S2中，定义压电片单元类型为SOLID5，夹层金属片单元类型为SOLID45；新建两种材料性能，分别为材料1和材料2，并指定为压电片和夹层金属片的材料参数。利用ANSYS对压电致动器进行模态分析时，需输入压电陶瓷的材料参数，主要包括密度和三大矩阵：介电常数矩阵，刚度常数矩阵和压电常数矩阵。但由于制造商提供的数据与ANSYS需要的格式数据有所不同，在输入参数前须对数据格式进行转换。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤S3包括：
S31，对上下压电片模型与夹层金属片模型之间接触状态定义为面粘结；
S32，指定材料和单元类型；
S33，为不同材料区分颜色；
S34，进行网格划分。为了保障模型的计算稳定及收敛性，对圆弧处的网格进行充分细化。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤S4包括：
S41.根据压电致动器静止状态的特性设置边界状态和施加载荷，为夹持金属片的两端施加全方向的位移约束；
S42.为基于ANSYS的GUI界面设置谐振频率范围以及谐振模态数；
S43.在提交求解器得出结果后需在general postprocess模块中查看模态及对应频率，利用动画仿真寻找最佳运动模态M并确定对应频率f。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤S5包括：
S51.根据压电致动器运动状态的特性设置边界状态和施加载荷；
S52.根据S4确定的谐振模态和频率设置频率范围以及步进数；
S53.根据压电致动器的实际运动特性设置阻尼系数；
S54.提交至求解器，待计算结果出来后基于ANSYS的GUI界面，选取夹层金属片位移形变最大的点，绘制压电致动器的响应幅值曲线；
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明通过ANSYS的GUI界面建立的压电致动器三维计算模型，不仅精度高，而且降低了建模的复杂性和操作难度，由于ANSYS的GUI界面按钮简洁明了，无须掌握APDL的操作语言，大大降低了ANSYS的上手难度，同时体系完整的仿真流程有利于提高初学者对于有限元仿真的实际工作原理的理解与掌握；
同时，利用ANSYS对压电致动器进行模态分析时，需输入压电陶瓷的材料参数，但由于制造商提供的数据与ANSYS需要的格式数据有所不同，在输入参数前须对数据格式进行转换，本发明提供的转换方法能快速准确将压电陶瓷的材料参数转换成ANSYS仿真需要的格式数据，有效缩短了压电致动器的仿真分析周期，提高了仿真计算效率。
附图说明
图1是本发明所述基于ANSYS的GUI界面的压电致动器运动过程仿真方法流程图；
图2是本发明所述压电致动器三维仿真模型示意图；
图3是本发明所述对压电片和夹层金属片进行赋予材料参数、网格划分、约束并设置边界条件后的仿真模型示意图；
图4是本发明所述对压电致动器模态分析求解后的形变示意图；
图5是本发明所述对压电致动器谐响应分析求解后的弹性应变图；
其中，1-压电片模型；2-夹层金属片模型。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例提供一种基于ANSYS的GUI界面的压电致动器运动过程仿真方法，如图1-5所示，包括步骤：
S1.建立压电致动器的三维仿真模型；其中，所述仿真模型包括压电片模型和夹层金属片模型；
S2.基于ANSYS的GUI界面分别对建立的压电片模型和夹层金属片模型定义单元格类型和材料属性；
S3.基于ANSYS的GUI界面分别对建立的压电片模型和夹层金属片模型进行网格划分；
S4.基于ANSYS的GUI界面进行模态分析确定该压电致动器的最佳变形模态和谐振频率；
S5.基于ANSYS的GUI界面进行谐响应分析得出该压电致动器的响应幅值曲线；
本实施例中，ANSYS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ANSYS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、复合材料、压电材料以及可压缩超弹性泡沫等材料。
其中，ANSYS主要包括三个模块：Preprocessor前处理模块，Solution分析计算模块，General Postproc后处理模块以及TimeHist Postproc后处理模块。
具体的，在本实施例中，S1包括：
S11，模型的建立。使用Solidworks建模软件建模压电片模型和夹层金属片模型并定位配合，装配成一个整体，其中长度尺寸单位选择为m。将所建压电致动器模型保存为.x_t格式文件；
S12，模型的导入。使用GUI界面中的Import命令，导入建好的压电致动器模型文件；
S13，实体化。使用GUI界面中的Solid Model Facets命令，将导入模型实体化；
其中，ANSYS仿真软件中的尺寸单位应选择与m同一量级，可使用GUI界面中的Select Units命令，默认为SI(国际制)；
具体的，在本实施例中，S2包括：
S21，定义单元类型。使用Element Type中的add命令，定义压电片单元类型为SOLID5，夹层金属片单元类型为SOLID45；
S22，输入材料参数。使用Meterial Modes中的New model命令，新建两个材料模板，并在材料1中输入压电片的材料参数，在材料2中输入夹层金属片的材料参数，；
压电片的材料为PZT-5H，为压电材料，夹层金属片材料为SUS304，为塑性材料；
压电片和金属片的基本性能参数如下表1，压电片的刚度矩阵、压电矩阵、介电矩阵等参数如下表2；
表1
弹性模量EX(Mpa) 泊松系数 密度(Kg/m<sup>3</sup>)
夹层金属片 194020 0.3 8900
压电片 —— —— 7700
表2
刚度常数 (×10<sup>10</sup>) 压电常数
c<sup>e</sup><sub>11</sub> 12.6 d<sub>31</sub> -6.5
c<sup>e</sup><sub>12</sub> 7.95 d<sub>32</sub> -6.5
c<sup>e</sup><sub>13</sub> 8.41 d<sub>33</sub> 23.3
c<sup>e</sup><sub>22</sub> 12.6 d<sub>24</sub>＝d<sub>15</sub> 17
c<sup>e</sup><sub>33</sub> 11.7 介电常数 (×10<sup>-8</sup>)
c<sup>e</sup><sub>44</sub> 2.3 ε<sup>s</sup><sub>11</sub> 1.5045
c<sup>e</sup><sub>55</sub> 2.3 ε<sup>s</sup><sub>11</sub> 1.5045
c<sup>e</sup><sub>66</sub> 2.35 ε<sup>s</sup><sub>33</sub> 1.301
利用ANSYS对压电致动器进行模态分析时，需输入压电陶瓷的材料参数，主要包括密度和三大矩阵：介电常数矩阵，刚度常数矩阵和压电常数矩阵。但由于制造商提供的数据与ANSYS需要的格式数据有所不同，在输入参数前须对数据格式进行转换；
以下是压电陶瓷的基本压电方程，表达了刚度矩阵、介电常数矩阵和压电常数矩阵之间的数据关系；
[cE]＝[sE]-1 式1
[εs]＝[εs]-[d]t[sE]-1[d] 式2
[e]＝[sE]-1[d]＝[[d]t[sE]-1]t 式3
式中[cE]为短路弹性刚度常数矩阵，[sE]为短路弹性柔顺常数矩阵，[εs]为夹持介电常数矩阵，[εT]为自由介电常数矩阵，[d]为压电应变常数矩阵，[d]t为压电应变常数矩阵(转置)，[e]为压电应力常数矩阵，[e]t为压电应力常数矩阵(转置)；
刚度矩阵：假设陶瓷的极化轴为Z-轴(3-方向)，可以利用ANSYS输入数据与制造数据之间的对应关系生成弹性柔顺系数矩阵：由[sE]＝[cE]-1所以
Figure BDA0002487607390000061
如果
Figure BDA0002487607390000062
未给出，可按下式计算得出：
Figure BDA0002487607390000063
注意，如果想输入刚度矩阵，那么首先必须通过[cE]＝[sE]-1求出cE；
压电常数矩阵：通常情况下，制造商只给出数据[d]，它反映了机械应变与电场的关系，也既是压电应变常数。但是，对ANSYS来讲，它需要的是[e]，反映机械应力与电场的关系，也即压电应力常数，所以，必须要对数据进行转换。由上面所列方程3可得，[e]和[d]的关系式如下：
[e]＝[sE]-1[d]＝[[d]t[sE]-1]t
其中，假设压电陶瓷沿Z轴极化，并且沿未极化两方向对称，即d32＝d31,d24＝d15；
Figure BDA0002487607390000064
可以利用矩阵的关系[sE]-1＝[cE]来计算[e](4,5,6行进行适当的调整)，最后得到:
Figure BDA0002487607390000065
介电常数矩阵：有限元分析时，需要输入恒应变条件下测得的介电矩阵，即夹持介电常数矩阵。通常情况下，制造商提供的数据只有恒应力条件下测得的介电矩阵，即自由介电常数矩阵，所以必须进行数据变换；
根据上节的公式2，可以根据下边的关系式计算出夹持介电常数矩阵；
[εs]＝[εs]-[d]t[sE]-1[d]
通过上述公式2转换后，就可以输入介电常数，介电常数矩阵为对角线矩阵，且只有两个独立的介电常数，即
Figure BDA0002487607390000066
和
Figure BDA0002487607390000067
如下所示；
Figure BDA0002487607390000071
具体的，在本实施例中，S3包括：
S31，进行布尔运算。使用Booleans中的Glue命令对上下压电片模型与夹层金属片模型之间接触状态定义为面粘结；
S32，指定材料和单元类型。使用Mesh Attributes命令，选取上下两片压电片，将其指定为材料1，单元格类型为SOLID5。将夹层金属片指定为材料2，单元格类型为SOLID45；
S33，给不同材料区分颜色。使用PlotCtrls中的Numbering指令，选择Materialnumbers和Colors only，并勾选TABN Table Names和SVAL Numeric contour values；
S34，进行网格划分。使用Volume Sweep命令，选取上下压电片，进行网格划分。使用Volumes中free指令对夹层金属片自由划分。
具体的，在本实施例中，S4包括：
S41，使用Define Loads中的Apply>Structural>Displacement>On Areas命令，选择图3椭圆线圈标记面及其对面施加全方向的位移约束；
S42，使用New Analysis中的Modal命令，输入求解模态数为100，输入起始频率范围为10Khz；
S43，在提交求解器solve，使用Current LS命令求解；
S44，寻找最佳模态，使用Animate中的mode shape命令，利用动画仿真寻找最佳运动模态M为36并确定对应频率f为500928Hz(如图4所示)；
具体的，最佳模态的判别可依据该模态下动画仿真的形变是否在同一水平面内，且是否为对称变形。在满足以上两点的模态中寻找Y方向形变最明显的模态；
具体的，在本实施例中，S105包括：
S51，使用Solution中的New Analysis命令，新建Harmonic谐响应分析；
S52，同步骤S4中的步骤S41一样进行位移约束；
S53，施加载荷(电压)。使用Define Loads中选择Apply Voltage命令，在压电片外侧两个面上施加10V的电压，内侧施加0V电压；
S54，定义频率范围。使用Load Step Opts中的Freq Substeps命令，将起始频率设为400000kHz，终止频率设为600000kHz，步进stepped设为200；
S55，施加阻尼。使用Load Step Opts中的Damping命令，在[DMPSTR]中输入实际阻尼系数0.02；
S56，使用Current LS命令，开始求解；
S57，绘制响应幅值曲线。使用TimeHist Postpro时间后处理模块命令，选择求解结果.rst文件，单击【+】打开Add Time-History Variable，使用Nodal Solution中的DOFsolution命令，选择Y方向。选取夹层金属片顶端变形最大部位的点，单击APPLY，在图像窗口就会出现幅值随频率变化的曲线，如图5所示。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于ANSYS的GUI界面的压电致动器运动过程仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.建立压电致动器的三维仿真模型；其中，所述仿真模型包括压电片模型和夹层金属片模型；
S2.基于ANSYS的GUI界面分别对建立的压电片模型和夹层金属片模型定义单元格类型和材料属性；
S3.基于ANSYS的GUI界面分别对建立的压电片模型和夹层金属片模型进行网格划分；
S4.基于ANSYS的GUI界面进行模态分析确定该压电致动器的最佳变形模态和谐振频率；
S5.基于ANSYS的GUI界面进行谐响应分析得出该压电致动器的响应幅值曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11，以Solidworks软件建立压电致动器模型并保存为.x_t格式，其中长度尺寸单位选择为m；对上下压电片和金属中间层进行定位装配；
S12，基于ANSYS的GUI界面将压电致动器.x_t文件的导入ANSYS；
S13，基于ANSYS的GUI界面将导入的压电致动器模型实体化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，定义压电片单元类型为SOLID5，夹层金属片单元类型为SOLID45；新建两种材料性能，分别为材料1和材料2，并指定为压电片和夹层金属片的材料参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31，对上下压电片模型与夹层金属片模型之间接触状态定义为面粘结；
S32，指定材料和单元类型；
S33，为不同材料区分颜色；
S34，进行网格划分。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41.根据压电致动器静止状态的特性设置边界状态和施加载荷，为夹持金属片的两端施加全方向的位移约束；
S42.为基于ANSYS的GUI界面设置谐振频率范围以及谐振模态数；
S43.在提交求解器得出结果后需在general postprocess模块中查看模态及对应频率，利用动画仿真寻找最佳运动模态M并确定对应频率f。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
S51.根据压电致动器运动状态的特性设置边界状态和施加载荷；
S52.根据S4确定的谐振模态和频率设置频率范围以及步进数；
S53.根据压电致动器的实际运动特性设置阻尼系数；
S54.提交至求解器，待计算结果出来后基于ANSYS的GUI界面，选取夹层金属片位移形变最大的点，绘制压电致动器的响应幅值曲线。
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段元兴: "1-3型压电复合材料性能分析与仿真软件开发" *

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