ansys壓電插件的案例
ANSYS workbench長板壓電靜力學(xué)分析 ￥10
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學(xué)習(xí)長板的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)長板接觸相關(guān)的接觸設(shè)置
3、學(xué)習(xí)壓電靜力學(xué)分析步的建立
4、學(xué)習(xí)長板壓電靜力學(xué)分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench長板壓電靜力學(xué)分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
?
ANSYS APDL中的壓電分析
壓電陶瓷簡介
壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的陶瓷材料。壓電陶瓷除具有壓電性外，還具有介電性、彈性等，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達(dá)等。壓電陶瓷利用其材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下，引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端出現(xiàn)符號相反的束縛電荷即壓電效應(yīng)。壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃、引 爆和壓電陀螺等。
壓電效應(yīng)分析是一種結(jié)構(gòu)－電場耦合分析。當(dāng)給石英和陶瓷等壓電材料加電壓時(shí)，它們會產(chǎn)生位移，反之若使之振動(dòng)，則會產(chǎn)生電壓。壓力傳感器就是壓電效應(yīng)的一種典型的應(yīng)用。
一、單元選擇
ANSYS中的壓電分析只能用下列單元類型之一：
1.PLANE13，KEYOPT（1）= 7，耦合場4節(jié)點(diǎn)四邊形實(shí)體單元；
2.SOLID5，KEYOPT（1）= 0或3，耦合場6節(jié)點(diǎn)六面體單元；
3.SOLID98，KEYOPT（1）=
0或3，耦合場10節(jié)點(diǎn)四面體單元；
4.SOLID226，KEYOPT（1）=
1001，耦合場20節(jié)點(diǎn)六面體單元；
5.SOLID227，KEYOPT（1）=
1001，耦合場10節(jié)點(diǎn)四面體單元；
KEYOPT選項(xiàng)激活壓電自由度：位移和電壓。對于SOLID5和SOLID98，KEYOPT(1)=3僅激活壓電選項(xiàng)。
二、材料屬性
在ANSYS中，壓電模型需要的材料特性有介電常數(shù)（或叫電容率）、壓電矩陣和彈性系數(shù)矩陣，一共三項(xiàng)。
1.介電常數(shù)（Relative Permittivity）
介電常數(shù)是反映材料的介電性質(zhì)，或極化性質(zhì)的，通常用ε來表示。不同用途的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的介電常數(shù)要求不同。
展開 ansys壓電-流體耦合仿真實(shí)例-微泵
參考例子為ansys幫助中的例子----Example Simulation of a Piezoelectric Actuated Micro-Pump，但是這個(gè)例子中在最后的求解中介紹不詳細(xì)，這里進(jìn)行補(bǔ)充，供大家參考與討論，下面依次會提出這里例子的詳細(xì)過程：這里先給出兩個(gè)基本模型，壓電模型與流體模型，其中，壓電模型包括了壓電分析的大部分步驟，只是最后不需要有求解就可以了，流體模型主要包括網(wǎng)格模型，具體的求解設(shè)置等需要在CFX中完成
壓電模型
piezo.rar
流體模型
CFX_fluid.rar
說明：
1，讀者需要具有一定的編寫命令流的能力，以上兩個(gè)文件都是用經(jīng)典ansys的命令流編寫的模型
2，讀者需要具有一定的ansys命令行啟動(dòng)能力，這個(gè)主要是用于去接最后生成的流體以及網(wǎng)格模型
3，讀者具有一定的CFX操作能力，特別是關(guān)于網(wǎng)格變形的分析能力
1.rar
首先使用ANSYS Mechanical APDL Product Launcher 14.0運(yùn)行上面的兩個(gè)inp文件，采用batch方式運(yùn)行，分別生成pfsi-solid.cdb文件和 fluid.cdb 如附件
展開 基于ANSYS二次開發(fā)的壓電疊堆仿真軟件 （原創(chuàng)，如轉(zhuǎn)載，請注明出處）
技術(shù)難點(diǎn)：ANSYS二次開發(fā)，力電多場耦合
完成人：技術(shù)鄰ANSYS專家
業(yè)務(wù)咨詢網(wǎng)址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
研究對象：Cymbal壓電振子疊堆
原理：利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能
適用范圍：壓電傳感器，振動(dòng)能量收集等。
優(yōu)點(diǎn)：操作傻瓜，高度集成，可視化優(yōu)。
可代做的業(yè)務(wù)范圍：
壓電分析
ANSYS二次開發(fā)，打造高度定制化的專業(yè)有限元軟件
耦合場分析
歡迎購買軟件使用權(quán)
模擬過程：
1、將結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化
2、利用APDL、TCL/TK語言開發(fā)出內(nèi)核和界面語言。
3、結(jié)果的可視化。
圖1：Cymbal壓電疊堆軟件首界面
圖2：Cymbal壓電疊堆軟件功能界面
圖3：Cymbal壓電疊堆軟件參數(shù)化界面
圖4：Cymbal壓電疊堆軟件后處理界面
圖5：Cymbal壓電疊堆軟件變形結(jié)果
圖6：Cymbal壓電疊堆軟件電壓結(jié)果
圖7：Cymbal壓電疊堆軟件瞬態(tài)電壓結(jié)果
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Ansys Workbench制作ACT插件實(shí)現(xiàn),快速框選element faces單元的功能 ￥20
問題：
Ansys workbench的框選功能只能按住Ctrl增加選項(xiàng)，卻沒有反向選擇框選減少的功能！??！
Ansys workbench的connect創(chuàng)建連接非常方便，但是很多時(shí)候幾何面的區(qū)域和實(shí)際想要做連接的區(qū)域大相徑庭。這個(gè)時(shí)候一個(gè)較好的連接區(qū)域選擇方法是使用element Faces進(jìn)行連接區(qū)域的定義。但是遺憾的是ansys workbench的框選功能也是不咋滴，單元選擇較為麻煩——沒有反向選擇，框選減除的功能！！??！
雖然兩種方式對計(jì)算結(jié)果沒有什么影響，但是第二個(gè)選著方式在甲方看來，仿真工程師是有認(rèn)真在干活的。。。。。。。。。。
使用hypermesh的同事都知道，ansys workbench在鼠標(biāo)框選這個(gè)功能上差了很多。Ansys workbench的框選功能只能按住Ctrl增加選項(xiàng)，卻沒有反向選擇框選減少的功能！?。?解決方案：
這里使用ansys workbench 的二次開發(fā)功能，增加一個(gè)針對單元面選擇的ACT插件。實(shí)現(xiàn)框選增加和框選減除的功能，雖然不能與hypermesh的右鍵反選功能相比肩，但實(shí)際應(yīng)用還是可以帶來很多便捷之處，尤其使用快捷鍵操作后，有很大提升。
功能實(shí)現(xiàn)邏輯：
1.首先用戶自己調(diào)整到element Faces 選擇類型，程序讀取當(dāng)前界面中加亮的element face單元的id號并存儲在global變量中。
2.用戶框選其它element faces單元，程序繼續(xù)讀取當(dāng)前選擇單元id號。再對global中存儲的id號進(jìn)行比較。
3.如果是增加操作，就合并兩次框選；如果是減除操作，就對global集合去除當(dāng)前選擇的集合。
具體實(shí)現(xiàn)方法：
首先，創(chuàng)建xml文件——在mechanical界面上方創(chuàng)建新的按鍵。
展開 ANSYS 軟件&ACT插件下載 ￥2
費(fèi)了不少心思，在網(wǎng)上找了一些ANSYS各版本軟件和ACT插件，感興趣趕快
Ansys Workbench制作ACT插件實(shí)現(xiàn)快速框選單元的功能（2） ￥20
問題：
前文在Ansys workbench中使用ACT方式增加了element Faces的反向選擇功能。但是在使用過程中感覺，還是有些不方便，所以對程序進(jìn)行了部分更新。主要是增加了一項(xiàng)對實(shí)體幾何邊的element Faces轉(zhuǎn)換功能。
結(jié)果示例：
實(shí)現(xiàn)過程簡要如下：
? 通過選擇實(shí)體幾何邊，利用convert to 功能轉(zhuǎn)為與幾何邊相關(guān)聯(lián)的單元。
? 再將單元轉(zhuǎn)為節(jié)點(diǎn)（這一步界面沒有操作，但是幫組文檔有命令“NodeIdsFromElementIds”可以實(shí)現(xiàn)），該命令執(zhí)行后可以返回，與單元相關(guān)的所有節(jié)點(diǎn)，包括實(shí)體內(nèi)部的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。
? 將這些節(jié)點(diǎn)，加入到NamedSelection中。
? 再利用NameSelection中的Convert to Element Face 功能，進(jìn)行轉(zhuǎn)換為表面單元（這一步，在幫助文檔中沒有找到對應(yīng)的命令）
將以上操作步驟，利用API命令執(zhí)行，就可以實(shí)現(xiàn)，選擇幾何邊轉(zhuǎn)為與邊相關(guān)連的單元面的選擇。（但是程序會在NamedSelecetion 中創(chuàng)建兩個(gè)選擇集）
示例.avi
這里將該功能增補(bǔ)到了上期的 合并/刪除 等功能。已經(jīng)下載上期的小伙伴可以聯(lián)系我，直接更新這個(gè)邊擴(kuò)展的功能。
展開 Ansys Workbench初始變形+預(yù)應(yīng)力釋放仿真（含ACT插件） ￥20
繼續(xù)進(jìn)行第二仿真步，傳遞板子的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)；
預(yù)應(yīng)力的傳遞方法在微信公眾號文章：“ansys分析中如何考慮殘余應(yīng)力影響？”中提及了兩種方法，這里分別測試如下：
方法一：使用external Data模塊
首先，在步驟一初始板子變形，有正確應(yīng)力分布的結(jié)果中，分別提取X、Y、Z、XY、YZ、ZX六個(gè)方向的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。
需要注意的是：
六個(gè)方向的應(yīng)力導(dǎo)出文件需要修改節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，不然映射應(yīng)力會不準(zhǔn)確。（方法：提取X、Y、Z的方向變形結(jié)果，組合計(jì)算節(jié)點(diǎn)X、Y、Z變形后坐標(biāo)）
在external data中加載X、Y、Z、XY、YZ、ZX六個(gè)方向的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。通過import Initial Stress 依次導(dǎo)入六個(gè)反向的應(yīng)力，此時(shí)可以看到導(dǎo)入的應(yīng)力云圖和第一步的仿真結(jié)果是一致的。
但是，導(dǎo)入初始應(yīng)力后，進(jìn)行第二步帶初始應(yīng)力的變形分析。其計(jì)算結(jié)果似乎不符合預(yù)期。（本人也不知道為什么了）
方法二：使用插入 APDL command 的方式，利用inistate 命令導(dǎo)入初始應(yīng)力。
同樣使用約束表面自由度的方式查看導(dǎo)入的von mises應(yīng)力，方法二 穩(wěn)定很多。
Inistate，read命令使用時(shí)的地址部分需要注意的是：模塊C4：計(jì)算寫出的file.ist文件不要直接復(fù)制到D模塊的計(jì)算文件夾。
這里在反過頭來說如何獲得符合彎折預(yù)期的初始應(yīng)力。
展開 ANSYS workbench的免費(fèi)插件，設(shè)置移動(dòng)熱源
ACT_MovingHeat_R170_v4.1.zip
官網(wǎng)也可以免費(fèi)下載，分享給下載不便的同學(xué)們，解壓之后里面doc文件夾里有使用說明
ANSYS Workbench ACT插件_WorkbenchLSDYNA_R160_
ANSYS Workbench ACT插件的版本和Workbench的版本是一一對應(yīng)的，即低版本的Workbench無法打開高版本的ACT插件，高版本的Workbench也無法打開低版本的ACT插件。
ANSYS 16.0在安裝過程中workbench 的act插件安裝不全
只有這一個(gè)IronPythonConsole
如果需要ls-dyna插件可以額外安裝，給大家提供了act插件，需要可以去我的主頁下載
Ansys Workbench ACT插件，在表面施加邊緣區(qū)域漸變大小的力載荷 ￥30
Ansys Workbench本身只可以按載荷面施加均勻分布的載荷，載荷大小不能實(shí)現(xiàn)邊緣逐步減小的效果。導(dǎo)致仿真結(jié)果會在載荷邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象與實(shí)際不符。
解決方法：
一種比較直接的方法就是在幾何切分時(shí)，將加載區(qū)域逐層切分為多個(gè)區(qū)域；或者利用Named Selection將加載區(qū)域分割為多個(gè)加載區(qū)域。再按區(qū)域分段加載，但是每個(gè)分區(qū)的載荷大小要仔細(xì)計(jì)算。
比較應(yīng)力結(jié)果和約束邊界的支持反力可知：分段加載的方法，應(yīng)力分配變均勻。且分割區(qū)域越多，載荷分配越均衡，加載區(qū)域的應(yīng)力結(jié)果更均衡。但是各區(qū)域的載荷大小較難控制。
上述方式可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)用戶漸變載荷加載的需求，只是操作步驟多，分割區(qū)域繁復(fù)，且每個(gè)分區(qū)的載荷定義較難控制。并且通過支反力結(jié)果可知，這種分割的方式由于邊界線區(qū)域載荷大小不易控制，從而導(dǎo)致總載荷大小108N與目標(biāo)載荷110N稍有差異。
基于上述需求和問題，本文以分割加載區(qū)域，逐步漸變施加載荷的思想為基礎(chǔ)。利用ansys workbench 的二次開發(fā)平臺，封裝了ACT插件，可以簡便快捷的實(shí)現(xiàn)上述加載方案。
將附件中的ACT插件下載至本地，并加載。
ACT插件安裝和使用：
ACT插件示例：
與上述初始方案或手工分割方案相比，不需要幾何切分，省去了Named selection的節(jié)點(diǎn)分組。只需要定義加載所在的幾何面和建立坐標(biāo)系。并且ACT插件有WB界面友好交互，簡便易上手。
相比手工方法，可以顯著提高效率，簡化步驟。并且，應(yīng)力分布更均衡，支反力嚴(yán)格等于目標(biāo)值110N。
并且，除了圓柱坐標(biāo)系可以定義圓球型加載方式外。
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ANSYS有個(gè)作轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的插件rotordynamics
有用過此插件的朋友進(jìn)來，討論一下！ 談?wù)勛约河玫母惺芗捌渥⒁馐马?xiàng)，還有此插件不完善的地方！
Ansys Workbench ACT插件，由窗口選中體單元，提取體積和表面積，計(jì)算幾何特征尺寸 ￥20
Ansys Workbench ACT插件，由窗口選中體單元，提取體積和表面積，計(jì)算幾何特征尺寸
問題：
在FKM關(guān)于結(jié)構(gòu)疲勞評估計(jì)算方法中指出：零部件特征尺寸，影響疲勞結(jié)果評估。原因是材料的應(yīng)力壽命曲線是由標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)測試獲得的。當(dāng)零部件的特征尺寸與測試樣件不一致時(shí)，需要考慮零部件的特征尺寸這一因素。（一般而言，當(dāng)零部件的尺寸大于材料標(biāo)準(zhǔn)測試樣件時(shí)，零部件的表面或內(nèi)部缺陷發(fā)生的概率會增加，從而導(dǎo)致零部件尺寸越大，疲勞壽命越低）
對與規(guī)則幾何形狀的零部件，有相應(yīng)的經(jīng)典公式提供特征尺寸的計(jì)算；例如圓形細(xì)長桿的特征尺寸是直徑；薄板零部件的特征尺寸是板厚等；但是實(shí)際工作中的零部件幾何形狀千差萬別，沒有統(tǒng)一的經(jīng)典公式可以提供特征尺寸的計(jì)算；在FKM手冊中給出了一個(gè)通用公式，用于估計(jì)零部件疲勞危險(xiǎn)區(qū)域的局部特征尺寸；
FKM關(guān)于循環(huán)載荷的疲勞評估中，提及可以使用循環(huán)載荷下的有限元應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行疲勞損傷估計(jì)。此時(shí)，除了需要由應(yīng)力結(jié)果估計(jì)危險(xiǎn)疲勞區(qū)域，提取危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果外，還需要給出危險(xiǎn)疲勞區(qū)域的特征尺寸。在Ansys Workbench中，用戶可以方便的查看應(yīng)力結(jié)果云圖，從而大體評估出危險(xiǎn)疲勞區(qū)域。并且用戶可以通過選取高應(yīng)力區(qū)域的單元體，再通過特征尺寸一般計(jì)算公式，來估計(jì)高應(yīng)力區(qū)域的特征尺寸，進(jìn)行進(jìn)行合理的FKM疲勞評估。
但是，Ansys Workbench中，當(dāng)用戶選中了某個(gè)/某些體單元后，在選擇信息欄中并不能直接給出單元體積和表面的有效信息輸出。并且通過查詢資料，即使在APDL經(jīng)典界面中對與體單元也是僅僅只能輸出體積（沒有體單元表面的輸出）；并且對與FKM特征尺寸的一般計(jì)算公式中，關(guān)于表面積A，也并不是指每個(gè)體單元所有面的表面積的總和。
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