压电阻抗ANSYS程序

压电陶瓷阻抗分析ANSYS程序

阻抗概念简介

大家都知道直流电路中，欧姆定律中定义的电阻R?V ，电阻的含义代表对电流I的阻碍作用。随着学习的深入，我们知道电压不仅仅有直流电压，更多存在的是交流电压，比如家用电压220V~，变压器等等。

图 1

一般交流电压有幅值，频率，相位这些参数，如果用实数表示就是

v?V0?Vmcos(?t??0)

(1)

v 代表任意时刻的电压，V0 代表偏置，Vm 代表幅值，??2?f 代表角频率与频

率有关，?0 为初始相位。

随着学习继续深入，有出现了用虚数表示电压

v?V0?Vmejwt??0

(2)

其实如果只要将(2)式中实部取出来，虚部不用管，就和(1)一样了。既然(2)比(1)还要复杂，为什么还要用复数表示交流电压呢，其实这是因为复数的运算要比实数要简单许多许多。比如将两个交流电相乘（实际中可以用电子电路中乘法器实现），复数的相乘：只要将幅角相加就行了，实数就要复杂很多。

到此，我们知道了为什么要复数表示阻抗，而任何一个复数都可以用实部和虚部表示：

Z?R?jX (3)

实部和虚部到底有什么含义呢，很多教科书说实部就是电阻，虚部是由电容产生的容抗和电感产生的感抗组成的。但大家看完这些介绍依然是云里雾里，太抽象，难以理解。实际上对于阻抗的理解就直接把其理解为电阻，阻抗就是用来阻碍电流的，比如如果我们要在1V电压施加下获得1A电流，那么我们找1? 电阻和绝对值为1?的阻抗是一样的。但是用阻抗有个优点，阻抗的虚部是复数，复数不会做功不会产生能量消耗，虽然1?的电阻和1?的阻抗都能获得1A的电流，但是阻抗由于有虚部因此消耗的能量要少，如果阻抗虚部设计的大一些，实部设计的小一些，这对于节约功耗具有无比重要的意义！注意以上讨论的前提是交流电。

ANSYS获得压电阻抗

ANSYS中要输入压电单元的参数，当然自己可以慢慢用GUI输入，也可以用命令流输入，其实最简单的方法就是从网上找一个别人论文中的PZT压电参数直接用File->read input from.. 命令读取就行了，这里将参数贴在附录A.

下面开始建立模型，从最简单的板开始入手。板的尺寸为24*4*0.35 mm，这很简单用block命令或者直接GUI。

建立模型后要进行网格划分，用GUI 直观简单，MeshTool 选中长宽厚，分别设置划分个数为10*5*2，划分类型为映射网格，计算快，看起来漂亮~

图 2

施加电压要用到Coupled Field的概念，耦合场其实就是将选中的面偶合成一个量，也就是如果要对某一点施加电压，那么耦合的面都会具有所施加的电压值，这在施加电压的时候只要施加在耦合的点（ANSYS映射的原点就是耦合点，选错了点ANSYS会报

错的）上就行了。耦合的时候要用到Select->entities确定要耦合的面，否则你得一个一个的选在同一个面上的点。注意每次选完之后都要用select->everything来选中整体。

图 3

耦合完电压之后要确定分析类型（analysis type），分析类型为谐响应分析

（harmonic）。然后是施加边界条件，为了求解方便，所施加的电压都是1V，如果不是1V得出来的不是阻抗，而是阻抗的倍数。

施加完电压后要确定分析的频率范围，一般压电陶瓷阻抗都在10KHz到100KHz之间，这里可以根据自己需要输入（在load step opts-> Time/Freq中输入），要选择ramp类型否则结果不对numb of steps 选择用100步求解，没有numb of steps 会什么都的不出来，如果有什么问题记得检查这一块。阻尼因子可以输入常量0.005，不输入也行。

查看结果在Timehist Postpro中查看，进去后电极+号添加查看节点的信息。选择Reaction Force-> Current Flow。节点号选择施加电压面耦合的点（这里为161号节点）。最后选择图像图标（图6）查看图形信息。

图 4

图 5

图 6

图 7

结果很像阻抗可惜这个不是，需要进行处理才能得到真正的阻抗。阻抗的表达式见3-41.利用这个公式在ANSYS中输入公式进行计算。阻抗的幅值和相位角这时候都可以输出来了，只要改变右上角的Amplitude或者phase angle就可以输出不同的曲线了，

当然如果要输出导纳也很简单，只要继续用ANSYS中的计算工具输入下面表达式就OK 了。

如果想要用Origin进行数据后处理，点击List Data阻抗和相位都在这里了随便怎么处理都行。

这是在GUI中获得阻抗，只要一步一步按照命令流进行翻译应该很容易获得命令流，希望有人能继续进行补充。

附录A FINISH /CLEAR

!------------------------------------------------Material and element-----------------------------------------------------

/PREP7 ET,1 ,SOLID5,3 ET,2 ,SOLID45

MP,DENS,1,7500 ! PZT DENSITY

MP,PERX,1,730 ! PZT PERMITTIVITY (X AND Y DIRECTION) MP,PERZ,1,635 ! PZT PERMITTIVITY (Z DIRECTION) MP,DENS ,2 ,1360 !Si Density 2330kg/m3 MP,EX,2 ,500E9 !Si Young's modulus = 130GPa MP,PRXY,2, 0.17 !Si Poisson ration = 0.35 TB,PIEZ,1 ! DEFINE PIEZ. TABLE

TBDATA,16,12.7 ! E61 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,14,12.7 ! E52 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,3,-5.2 ! E13 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,6,-5.2 ! E23 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,9,15.1 ! E33 PIEZOELECTRIC CONSTANT TB,ANEL,1 ! DEFINE STRUCTURAL TABLE

TBDATA,1,13.9E10,7.78E10,7.43E10 ! INPUT [C] MATRIX TBDATA,7,13.9E10,7.43E10 TBDATA,12,11.5E10 TBDATA,16,2.56E10 TBDATA,19,3.06E10 TBDATA,21,3.06E10

附录A FINISH /CLEAR

!------------------------------------------------Material and element-----------------------------------------------------

/PREP7 ET,1 ,SOLID5,3 ET,2 ,SOLID45

MP,DENS,1,7500 ! PZT DENSITY

MP,PERX,1,730 ! PZT PERMITTIVITY (X AND Y DIRECTION) MP,PERZ,1,635 ! PZT PERMITTIVITY (Z DIRECTION) MP,DENS ,2 ,1360 !Si Density 2330kg/m3 MP,EX,2 ,500E9 !Si Young's modulus = 130GPa MP,PRXY,2, 0.17 !Si Poisson ration = 0.35 TB,PIEZ,1 ! DEFINE PIEZ. TABLE

TBDATA,16,12.7 ! E61 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,14,12.7 ! E52 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,3,-5.2 ! E13 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,6,-5.2 ! E23 PIEZOELECTRIC CONSTANT TBDATA,9,15.1 ! E33 PIEZOELECTRIC CONSTANT TB,ANEL,1 ! DEFINE STRUCTURAL TABLE

TBDATA,1,13.9E10,7.78E10,7.43E10 ! INPUT [C] MATRIX TBDATA,7,13.9E10,7.43E10 TBDATA,12,11.5E10 TBDATA,16,2.56E10 TBDATA,19,3.06E10 TBDATA,21,3.06E10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hmzf.html