用Abaqus进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-第二版

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用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-byX.C.Li1用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解作者:X.C.Li2014.8(第二版)本文着重讲述在用ABAQUS模拟压电材料时,材料常数的设置。希望对入门者有所帮助。如果发现错误请发邮件到:Lxc1975@gmail.com。1.问题描述柱状体10×4×2如下图左端固定,右端自由;上表面受均匀压力500;上、下表面电压分别为50V、0V。压电材料PZT-4,选z-方向(该方向上尺寸为2)为极化方向,文献HaojiangDing,JianLiang:Thefundamentalsolutionsfortransverselyisotropicpiezoelectricityandboundaryelementmethod给出的材料常数111213334466111212.6,7.78,7.43,11.5,2.56,0.5()cccccccc(10210Nm);15313312.7,5.2,15.1eee(-2Cm);-121103300=730,=635,=8.8541910(1-1CVm)这些常数在ABAQUS中的输入将在本文2.3中详细说明。必须说明的是以上材料常数所对应的的本构关系:111213121113131333444466000000000000000000000000xxxxyyyyzzzzyzyzzxxycccccccccccc31313315150000000000000xyzzxxyeeEeEeEe15111511333131330000000000000000000xxyyxxzzyyyzzzzxxyEDeDEeeeeDE用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-byX.C.Li22.求解过程2.1.Part模块选3D,Deformable,Solid,通过Extrusion构造一个Piezoelectric梁。2.2.Property模块2.2.1在这个模块中要进行3种参数输入:1)materialeditor:Mechanical-Elasticity-Elastic:Type:Orthotropic;输入应力与应变之间的关系系数,弹性模量,一般为正交各向同性Type:Orthotropic。2)materialeditor:Other-Electrical-Piezoelectric:Type:StressorStrain;输入力与电耦合关系系数。在文献中压电常数最为常见,与之对应的是Type:Stress。3)materialeditor:Other-Electrical-Dielectric:Type:IsotropicorOrthotropicorAnisotropic;输入介电常数。论文中常见横观各向同性,与之对应的是Type:Orthotropic。2.2.2压电材料的本构方程压电材料的本构方程有多种形式,每种形式当然对应一组材料常数。在ABAQUS中,如果选择materialeditor:Other-Electrical-Piezoelectric:Type:Stress,压电材料的本构方程使用的e-form(theconstitutiveequationsinthee-formareused):在文献中常用iD表示电位移分量,ijklc表示弹性模量,ij表示介电常数(也常用ij表示介电常数,但这与应变符合冲突)。ABAQUS中用iq表示电位移分量,ijklD表示弹性模量,ijD表示介电常数。如果选择materialeditor:Other-Electrical-Piezoelectric:Type:Strain,压电材料的本构方程使用的g–form(Theconstitutiveequationsintheg-formcanalsobeexpressedas):2.2.3材料常数输入规则这里仅讨论e-form的本构关系。在ABAQUS中,双下标二阶张量记号11,22,33,12,13,23分别对应矢量分量1,2,3,4,5,6。因此按照这种排序规则,前面提到的Ding和Liang的论文中的本构关系应该写成如下形式,强调一下,3-方向为极化方向。用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-byX.C.Li311121311112212111322333313133312126613442344000000000000000000000000cccccccccccc313113323151315230000000000000eeEeEEee11221511113321511212333331313313230000000000000000000eEDDeEDEeee以上本构方程,用ABAQUS中的符号给出,其形式如下:11111122113311221122222233223333113322333312121213230000000000000000DDDDDDDDDD31111223223333312113131313223232300000000000000000000eeeeDeD123230EEE1122113111133222322212333331132233313230000000000000000000eDEqqeDEqDEeee通过以上两组本构方程的对照,不难看出将在ABAQUS中1111D位置应该输入11c,以此类推,223e位置应该输入15e,11D位置应该输入11。111111112212113313333333232344121266111212.6,7.78,7.43,11.5,2.56,0.5()DcDcDcDcDcDccc(10210Nm);1112134466111212.6,7.78,11.5,2.56,0.5()ccccccc11315311313333312.7,5.2,15.1eeeeee(-2Cm);-1211110333300=730,=635,=8.8541910DD(1-1CVm)此外,由于是横观各向同性,有111122222323131311332233,,DDDDDD;113223311322,eeee;1122DD。再补充一点,同一种材料,当极化方向用不同记号表示时,其压电系数矩阵是不同的。上面是用3-方向表示极化方向的压电常数矩阵,如果用1-方向表示极化方向的压电常数矩阵应该是用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-byX.C.Li41111221332123130000000000000eeeee,转置形式为1111221332123130000000000000eeeee变换的规则就是指标轮换,也就是3-1,1-2,2-3。比如,用3-方向表示极化方向时的113e,在用1-方向表示极化方向时变换为221e,即212e,放在系数矩阵的第2行第4列。或者,将1-方向为极化方向时,本构方程写为写成22222233221122332233333311331122113311111123232321310000000000000000DDDDDDDDDD12222331331111123221212121331313100000000000000000000eeeeDeD231310EEE222211223312221113111133313144232366111212.6,7.78,7.43,11.5,2.56,0.5()2.41DcDcDcDcDcDccc(10210Nm);22115122311113312.7,5.2,15.1eeeeee(-2Cm);-9-92211011330-120=730=6.46310,=635=5.62210,=8.8541910DD(1-1CVm)此外,由于是横观各向同性,有222233333131212122113311,,DDDDDD;221331122133,eeee;2233DD。在ABAQUSExampleProblemsManual6.1.1中给出的算例是用1-方向表示极化方向,在ABAQUSBenchmarksManual1.8.1中用3-方向表示极化方向。2.4材料常数具体输入如下:1)materialeditor:Mechanical-Elasticity-Elastic:Type:Orthotropic输入用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-byX.C.Li52)materialeditor:Other-Electrical-Piezoelectric:Type:Stress,压电常数前9个输入压电常数后9个输入用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-byX.C.Li63)materialeditor:Other-Electrical-Dielectric:Type:Orthotropic介电常数输入2.5设置其他项1)CreateSection中,选择如图2)接下来AssignSection3)由于压电材料不是各向同性,因此必须要通过菜单Assign-MaterialOrientation来设置局部坐标系(tospecifyalocalcoordinatesystem)。用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-byX.C.Li73.Assembly模块无特别说明。4.Step模块建立StaticGeneral分析步,用来施加载荷。5.Interaction模块无特别说明。6.Load模块除了施加Mechanical边界和Mechanical载荷,需要通过CreateBoundaryCondition:Other:Electricpotential施加电边界条件,即压电体各个表面的电压。1)在左端设置Mechanical边界用ABAQUS进行压电(Piezoelectric)悬臂梁模拟入门详解-b

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