借助ansys优化设计声学换能器(2008版)

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1、借助ANSYS优化设计声学换能器(2008版)借助??????????优化设计声学换能器莫喜平中国科学院声学研究所编写说明本讲义是在2004年“现代声纳技术讲座”—《用ANSYS有限元软件模拟分析声学换能器》基础上进行完善充实而成。讲座完成后由于一些学者参考本讲义而引用不方便以及有扩大交流面的想法，故此将该讲义的主体内容凝练成论文公开发表（参考文献1），对原讲义进行较详细文字加工和修订一些打印错误。同时近些年ANSYS软件经过升级和扩充系列功能，但用于换能器分析的模块并没有增加新内容，所以本讲义在内容安排上有关ANSYS软件操作及水声换能器方面的建模举例等内容基本保持第一版讲义的原貌，而删掉

2、关于几个浅显问题讨论的内容。近些年不少超声领域的学者与本人探讨ANSYS软件应用的问题，所以笔者考虑水声换能器建模的讨论已经内容较多，有必要将超声换能器的分析内容及分析方法做些介绍，因此本讲义新增的第五章内容即是从纵向换能器优化的实例入手，结合超声换能器设计中所关注的技术问题，展开一系列计算与讨论。其中不乏有笔者初浅的处理思路和分析方法，与各位学者共勉，同时也希望得到您的批评指导及各方———————————————————————————————————————————————面的宝贵意见。莫喜平2008年6月于北京借助ANSYS优化设计声学换能器目录第一章ANSYS有限元软件简介11.1A

3、NSYS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2.1有限元法分析换能器机电耦合问题的数理基础2.2ANSYS有限元软件用于换能器分析的基本理论2.3ANSYS有限元软件用于换能器分析的一般步骤2.4利用ANSYS软件来解决磁致伸缩机电耦合问题第三章ANSYS有限元软件分析换能器的基本过程3.1模型简化——准物理模型3.2建模——有限元模型的生成3.2.1几何模型的构建3.2.2属性－从几何模型到有限元模型3.3求解——解有限元方程————————————————————————————————————————————

4、———3.3.1求解选项3.3.2施加载荷3.4后处理——提取变量参数、获得问题答案第四章换能器分析模拟实例4.1压电材料参数与坐标变换4.2压电换能器模拟分析实例——纵向换能器发射性能分析4.3几种常见类型压电换能器的分析建模实例第五章纵向换能器结构优化与设计5.1纵向换能器压电堆优化的新探讨5.2双激励纵向换能器的结构弹性与小型低频宽带换能器的设计515.3换能器有载谐振频率及阻抗分析的流体模型简化处理方法5.3.1水声换能器简化流体模型分析实例5.3.2超声清洗换能器简化流体负载模型分析实例参考文献3345711121213161616171818203645455656586311莫

5、喜平：借助ANSYS优化设计声学换能器第一章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物理过程和工程实际，ANSYSMultiphysics提供了一个易于应用的多

6、物理场求解分析模块，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）、超声换能器变幅杆设计（静力分析、模态分析）、结构减

7、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——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。————————————————————————————————————————