压电分析

压电效应分析是一种结构－电场耦合分析。当给石英和陶瓷等压电材料加电压时，它们会产生位移，反之若使之振动，则会产生电压。压力传感器就是压电效应的一种典型的应用。压电分析（ANSYS/Multiphysics或ANSYS/Mechanical软件包提供这种分析）类型可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析。压电分析只能用下列单元类型之一：PLANE13,KEYOPT(1)=7，耦合场四边形实体单元SOLID5,KEYOPT(1)=0或3，耦合场六面体单元SOLID98,KEYOPT(1)=0或3，耦合场四面体单元KEYOPT选项激活压电自由度：位移和电压。对于SOLID5和SOLID98，KEYOPT(1)=3仅激活压电选项。注意：如果模型中激活了至少一个带有压电自由度（位移和VOLT）的单元，则需要用到VOLT自由度的所有单元必须是上面三种压电单元其中之一。而且，所有的这些单元均需激活压电自由度。如果不希望在这些单元中存在压电效应，则需给材料定义非常小的压电特性。压电KEYOPT用NLGEOM，SSTIF，PSTRES命令可用大挠度和应力刚化作用（参见《ANSYSCommandsReference》对这些命令的更多信息，参见《ANSYSStructuralAnalysisGuide》及《ANSYS，Inc.TheoryReference》的第三章关于大挠度及应力刚化功能的更多信息）。对PLANE13，通过设置KEYOPT（1）＝7可用大挠度及应力刚化功能。对SOLID5及SOLID98通过设置KEYOPT（1）＝3可用大挠度及应力刚化功能。而且小挠度及应力刚化选项可以通过KEYOPT（1）＝0使用。注意－对压电分析不能使用自动求解控制。SOLCONTROL缺省设置只能对纯结构或纯热分析使用。对大挠度压电分析，必须用非线性求解命令定义有关设置。关于这些命令的更多内容参见《ANSYSStructuralAnalysisGuide》的§8.4节。3.1.2.1注意要点分析可以是静力、模态、预应力模态、谐波、预应力谐波和瞬态分析，应注意下列要点：Ÿ对模态分析，建议使用分块Lanczos求解器（缺省）求解Ÿ对静力分析、全谐波分析和全瞬态分析，可选用稀疏矩阵(SPARSE)求解器，或雅可比共轭梯度（JCG）求解器。Ÿ对瞬态分析，TINTP命令(MainMenuPreprocessor-Loads-Time/FrequencTimeIntegration)指定ALPHA=0.25，DELTA=0.5，THETA＝0.5Ÿ预应力谐波分析只能用小挠度分析。3.1.2.2介电系数、压电矩阵和弹性系数矩阵压电模型需要的材料特性有介电常数（或叫电容率）、压电矩阵和弹性系数矩阵。下面还要对此说明。3.1.2.3介电系数矩阵（介电常数）用MP命令(MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModelsElectromagneticsRelativePermittivityOrthotropic)说明PERX、PERY和PERZ。（参见EMUNIT命令关于自由空间介电常数的说明）。这些常数分别表示的是介电系数矩阵[ε]s（上标“s”表示常数值是用常值应变值计算得到的）的对角分量ε11,ε22,ε33。3.1.2.4压电矩阵可以定义[e]型（压电应力矩阵）或[d]型（压电应变矩阵）的压电矩阵。[e]型矩阵典型地与刚度矩阵[c]的各向异性弹性输入有关，而[d]矩阵与柔度矩阵[s]的输入相关。注意－ANSYS将会在首先定义温度的弹性矩阵将压电应变矩阵[d]转变为压电应力矩阵[e]。用TB，ANEL命令（不是MP命令）定义转换的弹性矩阵。介电常数必须按常应变输入。无论定义[e]型（压电应力矩阵）或[d]型（压电应变矩阵）的压电矩阵都要求常应变值。如果介电常数是在常应力处，必须将其转变为常应变的值。用TBLIST，PIEZ命令显示转变的数据。注意常应力和常应变对应介电常数的不同。要获得常应变值，从常应力值减去差值。这个6×3（二维模型为4×2）的矩阵联系电场与应力（[e]矩阵）或应变（[d]矩阵）。[e]矩阵和[d]矩阵使用下列数据表输入：用TB,PIEZ和TBDATA命令定义[e]矩阵，要了解用于定义压电矩阵；这些常数的输入顺序请参见《ANSYSCommandsReference》。通过GUI定义压电矩阵：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModelsPiezoelectricsPiezoelectricmatrix大多数已公布的压电材料的[e]矩阵数据都是基于IEEE标准（参见ANSI/IEEEStd176-1987）按照x,y,z,yz,xz,xy的顺序，而ANSYS的输入数据是按照x,y,z,xy,yz,xz的顺序。也就是说，输入该参数时必须通过改变剪切项的行数据以转换到ANSYS数据格式。Ÿ将IEEE常数[e61,e62,e63]输入为ANSYS的xy行Ÿ将IEEE常数[e41,e42,e43]输入为ANSYS的yz行Ÿ将IEEE常数[e51,e52,e53]输入为ANSYS的xz行3.1.2.5弹性系数矩阵[c](或[d])该矩阵为6×6矩阵（对2-D模型是4×4矩阵），它说明刚度系数（[c]矩阵）或柔度系数([s]矩阵)。注意－本节按IEEE标准表示弹性系数矩阵[c]。这个矩阵在ANSYS帮助中的其他部分也指[D]矩阵。弹性系数矩阵用下列数据表输入：使用TB,ANEL和TBDATA命令确定系数矩阵([c]（或[s]取决于TBOPT的设定）；要了解一些常数的输入顺序请参见《ANSYSCommandsReference》。和上面介绍的压电矩阵的情况类似，已公布的大多数压电材料的[c]矩阵的参数顺序和ANSYS不同，需要将IEEE矩阵转换成ANSYS输入顺序，按下面交换剪切项行和列的顺序：将IEEE项[c61,c62,c63,c66]输入为ANSYS的xy行将IEEE项[c41,c42,c43,c46,c44]输入为ANSYS的yz行将IEEE项[c51,c52,c53,c56,c54,c55]输入为ANSYS的xz行输入[c]矩阵的另一种方法是定义杨氏模量（用MP,EX命令）和泊松比（用MP,NUXY命令）和／或剪切模量（用MP,GXY命令），（参见《ANSYSCommandsReference》MP命令更多的信息）。通过GUI定义：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModelsStructuralLinearElasticOrthotropic