壓電耦合
關(guān)注創(chuàng)建者：矅日千陽(yáng) 創(chuàng)建時(shí)間：2019-01-30
壓電耦合的實(shí)例教程
分析類(lèi)型：壓電陶瓷疊堆的電-結(jié)構(gòu)耦合分析；
分析平臺(tái)：AWB17
技術(shù)難點(diǎn)：壓電效應(yīng)耦合分析
完成人：技術(shù)鄰ANSYS專(zhuān)家
業(yè)務(wù)咨詢(xún)網(wǎng)址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
研究對(duì)象：壓電陶瓷疊堆
注意點(diǎn)：導(dǎo)納分析 阻抗分析
關(guān)鍵技術(shù)分析：
此問(wèn)題屬于利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。壓電材料的主要問(wèn)題是高電壓，低電流，對(duì)于能量采集是不利的，比較適合做傳感器。
關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)
(1) 壓電材料的定義
（2）分析中的電壓自由度耦合，對(duì)于壓電疊堆，采用插入命令流進(jìn)行自由度耦合比較方便和高效。
（3）阻抗 導(dǎo)納的提取
（4）此問(wèn)題要多處使用插入命令的方式，從而可以在WORKBENCH中使用APDL的功能。
展開(kāi) 今日份正事，給大家簡(jiǎn)單講一講ABAQUS中的壓電耦合單元C3D8E。
那么什么叫壓電耦合單元呢，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是你給它加載電壓（電勢(shì)的差，ABAQUS中為位移加載），那么就會(huì)引起單元力學(xué)場(chǎng)的變化，比如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等等；同樣的你給它加載力或者位移，亦會(huì)引起單元電場(chǎng)的變化。
單元壓電耦合場(chǎng)的廣義本構(gòu)方程表示如下：
即為：廣義應(yīng)力=廣義彈性矩陣·廣義應(yīng)變。其中廣義力中D為電位移，廣義應(yīng)變中E為電場(chǎng)強(qiáng)度。
在廣義彈性矩陣中，C矩陣為力學(xué)場(chǎng)的彈性矩陣，e矩陣為壓電常數(shù)矩陣，右下角為介電常數(shù)矩陣。亦可展開(kāi)如下表示（某種材料的參數(shù)，如果是特殊材料e矩陣中非0常數(shù)會(huì)更多或者更少，由材料本身決定）。
本構(gòu)關(guān)系的張量表達(dá)式為：
其中，廣義應(yīng)變的有限元格式可表示為：
其中，電場(chǎng)強(qiáng)度E為負(fù)的電勢(shì)梯度：
則廣義應(yīng)變列陣記為：
那么，單元的剛度矩陣可以表示為：
其中Kuu為C3D8原本的剛度矩陣，Kuv與Kvu為壓電耦合剛度矩陣，Kvv為電場(chǎng)的廣義剛度矩陣。
ABAQUS中的C3D8和C3D8E都是做了一些剛度修正的，比如C3D8為了防止單元自鎖，采用了B-Bar方法，得出的剛度矩陣是介于C3D8和C3D8R之間的值，同樣的C3D8E也有一些類(lèi)似的修正，以下我將提供一個(gè)不包含修正的版本，對(duì)ABAQUS剛度修正方法感興趣的朋友可以去拿去跟ABAQUS CAE對(duì)比。
展開(kāi) 壓電耦合分析模塊。通過(guò)壓電方程等的組合求解，考慮位移場(chǎng)合電場(chǎng)的耦合效應(yīng)，為壓電耦合問(wèn)題提供精確的解決方案。該模塊 機(jī)電微系統(tǒng)分析中有著廣泛的應(yīng)用前景。
另外還包括：光-機(jī)-熱耦合分析模塊，電工學(xué)分析模塊等
SAMCEF有限元分析_耦合分析典型實(shí)例.pdf
壓電性——指的是發(fā)生在壓電材料結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)之間的耦合屬性。對(duì)壓電材料施加電壓可以使其產(chǎn)生位移，同時(shí)振動(dòng)壓電材料可以產(chǎn)生電壓。
壓電耦合是一些單晶體的自然特性，如：石英、鐵電陶瓷（PZT）、壓電聚合物（PVDF）。直接的壓電耦合可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，而反壓電耦合則是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
在壓電分析中，結(jié)構(gòu)場(chǎng)和準(zhǔn)靜電場(chǎng)通過(guò)壓電常數(shù)耦合。
問(wèn)題描述
一壓電驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)如下，分析其模態(tài)及在115伏60Hz下的響應(yīng)。
壓電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片真實(shí)模型
壓電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片幾何模型
模態(tài)分析
設(shè)置各個(gè)部件的材料屬性，尤其壓電材料。在Engineering Data中，創(chuàng)建新的材料命名為“Piezo”，密度輸入為7500kg m^-3，以表格的形式輸入壓電材料的各向異性彈性模量。
對(duì)兩塊壓電晶片零件賦予Piezo材料屬性，同時(shí)在Piezo2 body頂部上建議一個(gè)y軸反轉(zhuǎn)的局部坐標(biāo)系作為壓電極化方向。
設(shè)置面尺寸及體尺寸，網(wǎng)格劃分如下：
在分析設(shè)置明細(xì)中Options的Max Modes to Find輸入3，其余保持默認(rèn)；FR4板上的兩圓孔面施加固定約束。
插入Piezoelectric Body對(duì)兩壓電晶片零件添加壓電屬性如下：
插入Voltage對(duì)下面的壓電晶片底部添加0電壓值；同時(shí)對(duì)兩壓電晶片零件的接觸面添加Voltage Coupling。
展開(kāi) 薄膜體聲波諧振器(FBAR)壓電耦合仿真 ￥1000
<p>本案例建立了一薄膜體聲波諧振器(FBAR)模型，一個(gè)硅襯底上挖一個(gè)空腔，然后在其上增加隔離層、下電極壓電層和上電極層，結(jié)構(gòu)如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c13a34fa2c6945ebbbe32c149f037a96.png" alt="Untitled1.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>幾何模型</strong></p><p>仿真得到結(jié)構(gòu)隨頻率響應(yīng)的電勢(shì)和振幅分布，如下圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/231c13a322424161b8a1b82b2531f400.png" alt="Untitled21.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>頻率為 3GHz</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/03fad0bb7730490c907b7b846d5682e0.png" alt="Untitled22.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>頻率為3.2 GHz</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/bff03f49559f43818102007de80fedc6.png" alt="Untitled23.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>頻率為3.4 GHz</strong></p><p><img src="https
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壓電耦合的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
壓電耦合的最新內(nèi)容
高效的多物理場(chǎng)耦合分析
熱-力耦合：精準(zhǔn)分析溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的相互影響
流-固耦合：模擬流體與結(jié)構(gòu)的相互作用
電-熱-力耦合：適用于電子設(shè)備、電池等領(lǐng)域的多場(chǎng)分析
壓電-結(jié)構(gòu)耦合：用于智能材料與傳感器的仿真
3.
這種方法也不適用于耦合壓電域，結(jié)構(gòu)和聲學(xué)的模型; 在這些情況下，必須采用全耦合的方法。
在所有情況下，在“聲學(xué)模塊用戶(hù)指南”的“建模”部分中會(huì)詳細(xì)討論各種求解器策略和其他有用的建議，歡迎閱讀。
文章來(lái)源：COMSOL
熱電耦合、電磁耦合，壓電耦合和聲固耦合，專(zhuān)門(mén)的焊點(diǎn)及焊點(diǎn)失效、振動(dòng)等分析類(lèi)型也能夠進(jìn)行模擬。對(duì)于以上或其他非線性分析，Abaqus/Standard會(huì)自動(dòng)調(diào)整收斂性準(zhǔn)則和時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)確保解的精確性。
Abaqus/Explicit
Abaqus/Explicit（顯式積分）是能夠高效、精確模擬廣泛的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題的強(qiáng)大的有限元求解器。
壓電耦合
近年來(lái)，能源的回收再利用受到了廣泛關(guān)注，也發(fā)展了不少與之相關(guān)的技術(shù)，而壓電道路便是其中的一種。
不同物理現(xiàn)象間的相互作用，如熱固耦合，熱電耦合，壓電耦合和多種介質(zhì)的流固耦合，聲固耦合等分析也能夠進(jìn)行模擬。對(duì)于以上或其它非線性分析，Abaqus/Standard 會(huì)自動(dòng)調(diào)整收斂準(zhǔn)則和時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)確保解的準(zhǔn)確性。
2、Abaqus/Explicit-顯式求解器
Abaqus/Explicit為模擬廣泛的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題提供準(zhǔn)確、強(qiáng)大的有限元求解技術(shù)。
在壓電陶瓷中，施加的電壓在材料中引起應(yīng)變（位移），反之亦然，證明電場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的耦合。壓電陶瓷在拉伸時(shí)非常脆，因此需要預(yù)加載以使陶瓷在操作中保持壓縮應(yīng)力狀態(tài)。
問(wèn)題描述
下圖顯示了本例中使用的超聲波換能器：
粘合工具由氧化鋁制成，顯示在最左側(cè)。它通過(guò)小螺釘（未建模）連接到鈦喇叭。喇叭連接到壓電驅(qū)動(dòng)器組件。
以結(jié)構(gòu)力學(xué)分析為主，涵蓋線性、非線性、靜力、動(dòng)力、疲勞、斷裂、復(fù)合材料、優(yōu)化設(shè)計(jì)、概率設(shè)計(jì)、熱及熱結(jié)構(gòu)耦合、壓電等分析中幾乎所有的功能，全面集成于ANSYS新一代協(xié)同仿真環(huán)境ANSYS Workbench中。對(duì)于SiP封裝來(lái)說(shuō)，其功能可覆蓋各類(lèi)封裝產(chǎn)品，熱應(yīng)力，熱循環(huán)，振動(dòng)，Underfill流體分析等絕大多數(shù)熱力結(jié)合仿真項(xiàng)目。
壓電 MEMS 揚(yáng)聲器教程示例演示了如何使用壓電效應(yīng) 耦合特征對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行建模。
壓電 MEMS 揚(yáng)聲器教程中使用了壓電效應(yīng)耦合特征。
當(dāng)需要對(duì)來(lái)自壓電驅(qū)動(dòng)器的聲輻射進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，可以選擇使用間斷伽遼金（dG 或 dG-FEM）方法對(duì)壓電設(shè)備的振動(dòng)和流體中的波傳播進(jìn)行建模。
<p>壓阻式壓力傳感器是首批商業(yè)化的 MEMS 器件之一。與電容式壓力傳感器相比，這種傳感器更易于與電子器件集成，響應(yīng)更加線性，并且本質(zhì)上不受 RF 噪聲的影響。不過(guò)，壓阻式壓力傳感器在運(yùn)行過(guò)程中通常需要更多的功率，并且傳感器的基本噪聲限度高于電容式壓力傳感器。長(zhǎng)期以來(lái)，壓阻器件在壓力傳感器市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。本案例建立了一壓阻式壓力傳感器，如圖1所示。</p><p><img src="https:/
<p>本案例建立了一薄膜體聲波諧振器(FBAR)模型，一個(gè)硅襯底上挖一個(gè)空腔，然后在其上增加隔離層、下電極壓電層和上電極層，結(jié)構(gòu)如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c13a34fa2c6945ebbbe32c149f037a96.png" alt="Untitled1.png"></p><p class="ql-align-center
