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comsol中壓電陶瓷仿真學習-邊界設置篇

    本文主要對壓電仿真分享一下自己的理解。以如下官網案例為例，主要對其中的壓電部分進行講解，由于聲學部分對工作內容并沒有指導意義，因此跳過。

官網案例鏈接（預應力螺栓 Tonpilz 型壓電換能器）：https://cn.comsol.com/model/piezoelectric-tonpilz-transducer-with-a-prestressed-bolt-14535

       在壓電仿真中一般都會包括固體力學（solid）和靜電(es)。固體力學中主要涉及力學上的約束模型和接觸，選擇所有固體作為計算域。這里的彈簧基礎我的理解是有一定柔性的約束，還有一種是固定約束。如果是靠塑膠殼（或者相對較軟的材料）限位這里我建議用彈簧基礎，這里需要將彈簧類型改為總彈簧常數，Ktot=10000N/m；如果是跟鋼板焊接或者用螺釘擰緊那就采用固定約束。

      在螺栓預緊力這個選項上，分預緊力和預緊應力，一般是不同的螺栓對應不同的力，這個在網上也能搜索到，這里使用M4的螺栓，預緊力取3100N。在螺栓選擇中，選取螺栓中間的一個面，他可以將兩側向這個面拉扯，達到一個預緊力的效果。建立這個面我是通過先建一個平面，再對螺栓進行分割域。

      連續性這一選項，歸為接觸范疇。如果你導入第三方裝配體，兩個零件相互接觸的面應該有兩個的，如果是一個體分割域出來的那只有一個面，這個面屬于共享面因此不用進行特殊處理。在兩個面的情況下，需要傳遞力或者位移，在組件-定義選項中定義一致邊界對或者接觸對。接觸對：兩表面之間可以遠離、緊貼，但不能穿透，每個表面包含區域相對獨立；一致對：兩表面之間貼緊，經過表面的場或量具有連續性。定義對時，需要有源面和目標面，他的選取原則是：

1、源一般選擇剛度（硬度）大，曲率大的物體（剛體的硬度無窮大、直線的曲率為零）；

2、目標一般選擇剛度小，曲率小的物體；

3、選擇優先級：剛度>曲率；

4、目標邊界需要更密的網格，建議：目標的網格單元大小為源的一半（目標比源網格加密一倍）。

螺栓處一致對的設置：

      壓電材料添加兩個，域的選擇彼此錯開就行，在材料的本構關系中選擇應力-電荷型，第一個壓電材料設置中坐標系就默認全局坐標系，因為默認情況下材料與空間的Z方向重合；而第二個壓電材料需要一個坐標系與材料的x3軸重合，材料x3軸現在是向下的，因此將坐標系的Z軸轉到下面就行，這里用到的是旋轉坐標系，這個坐標系的運轉方式是Z-X-Z，Euler 角 α、β 和 γ 的圖像，其中 xyz 表示原始坐標系，XYZ 表示旋轉坐標系。按右手定則，先繞Z軸旋轉α角，然后基于新坐標系繞X軸旋轉β角，再基于新坐標系繞Z軸旋轉γ角，即可得到最終的坐標系，這里僅需要輸入β角為pi即可。這里也可以使用基失坐標系，X3軸填-1即可。

      在靜電（es）的設置中相對比較簡單，選擇四個壓電陶瓷零件作為計算域，在電荷守恒，壓電1中也同樣選擇四個陶瓷件，其他都默認即可。然后添加接地和終端，終端設置電壓，邊界面選擇交錯即可，如下所示，但實際情況是會在中間加五個很薄的銅片接電，如果這樣導入進來，我計算了一個case發現并沒有起到壓電效應，因此需要將銅片去除，并在外部將四個壓電陶瓷合為一體，在comsol軟件中進行分割域，這樣就形成共享面了，會解決該問題。

      固體力學（solid）和靜電(es)設置完成壓電仿真分析也就可以開始了，以上是我學習的一些小小總結和心得，如果哪里有不對的地方可以幫我指出來，謝謝了。(更多學習資料關注公眾號：CAE備忘錄)