一种压电超声换能器的有限元分析方法

技术领域

本发明涉及一种有限元分析方法，具体为一种压电超声换能器的有限元分析方法，属于换能器系统研究技术领域。

背景技术

超声学是声学的一个重要分支，自20世纪初期出现后结合多个领域的成就得到了迅速发展，不仅应用于传统的工农业领域，而且在医学、生物、国防和航空航天等高新技术领域也有所渗透，绝大部分超声应用技术的核心是压电换能器，而超声换能器系统在工作时，对其工作端面振幅分布、轴线振幅分布、谐振频率、固支平面参数等电学参数却缺乏理论的数据基础，因此不能够对超声换能器系统的驱动和声辐射能量进行精确的控制，进而导致压电超声换能器在使用过程中，不能得到较好的谐振性能，且机电转换效率较低。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种压电超声换能器的有限元分析方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种压电超声换能器的有限元分析方法，包括以下步骤：

步骤一、预处理，根据超声换能器系统的组成，将构成换能器系统的各个结构组件进行组装连接，以构成换能器的物理模型；

步骤二、前处理，将所构成的换能器物理模型转换成几何模型，以及依据换能器物理模型的材料参数，并根据不同的模态单元类型构建相应的换能器的三维有限元模型，再对所构建的有限元模型进行网格划分；

步骤三、求解，根据需要模拟的模态单元类型，对换能器的有限元模型施加相应的载荷，并对模拟结果进行求解；

步骤四、后处理，将所获得的求解结果进行输出，以提取相应参数，并根据参数对不同单元类型的模态进行分析。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤一中，超声换能器系统的组成包括超声换能器、变幅杆及加工工具头，且超声换能器的压电陶瓷片采用solid5耦合单元，Solid5单元设有八个节点，每个节点设有六个自由度，可用于热、磁、电、压电以及结构场之间的三维耦合分析。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤二中，构建有限元模型时，对换能器系统的结构简化包括以下部分：

1)忽略铜电极、粘结剂、绝缘套管及结构倒角和预应力；

2)假设换能器系统各个组成部分的材料是均匀的，内部振动连续，并且各个组成部分的接触面上各点振动连续；

3)假设换能器系统的工具头表面是平整的；

4)假设换能器系统的每一片陶瓷片的两个端面均是等电势的；

5)忽略压电陶瓷片在工作中因机械损耗产生的热效应和谐振点因温度升高而发生的轻微漂移。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤二中，采用扫略的方法对有限元模型进行网格划分，且网格尺寸采用0.025mm，划分单元的过程中需要对各个部分的材料属性和单元类型进行分配，对于压电材料通过建立局部坐标系对相邻的压电陶瓷片进行不同方向的极化。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤三中，需要模拟的模态单元类型包括：一阶纵振模态、扭转模态、圆盘振动模态以及二阶纵振模态。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤四中，采用Block Lanczos方法对不同的模态进行分析，且模态分析的扫频范围从8kHZ到28kHZ。

本发明的有益效果是：过对设计的换能器系统进行有限元建模和仿真分析，较准确地得到了超声换能器系统的工作端面振幅分布、轴线振幅分布、谐振频率、固支平面参数等电学参数。理论计算的结果和有限元分析的结果能够较好的吻合，从而验证了本项目提出的超声压印换能器系统的解析模型可以用于工程设计，为超声换能器系统的精密驱动和声辐射能量精确控制提供了理论基础。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为换能器系统振动模态的位移云图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1，一种压电超声换能器的有限元分析方法，包括以下步骤：

步骤一、预处理，根据超声换能器系统的组成，将构成换能器系统的各个结构组件进行组装连接，以构成换能器的物理模型；

步骤二、前处理，将所构成的换能器物理模型转换成几何模型，以及依据换能器物理模型的材料参数，并根据不同的模态单元类型构建相应的换能器的三维有限元模型，再对所构建的有限元模型进行网格划分；

步骤三、求解，根据需要模拟的模态单元类型，对换能器的有限元模型施加相应的载荷，并对模拟结果进行求解；

步骤四、后处理，将所获得的求解结果进行输出，以提取相应参数，并根据参数对不同单元类型的模态进行分析。

在本发明实施例中，所述步骤一中，超声换能器系统的组成包括超声换能器、变幅杆及加工工具头，且超声换能器的压电陶瓷片采用solid5耦合单元，Solid5单元设有八个节点，每个节点设有六个自由度，可用于热、磁、电、压电以及结构场之间的三维耦合分析。

在本发明实施例中，所述步骤二中，构建有限元模型时，对换能器系统的结构简化包括以下部分：

1)忽略铜电极、粘结剂、绝缘套管及结构倒角和预应力；

2)假设换能器系统各个组成部分的材料是均匀的，内部振动连续，并且各个组成部分的接触面上各点振动连续；

3)假设换能器系统的工具头表面是平整的；

4)假设换能器系统的每一片陶瓷片的两个端面均是等电势的；

5)忽略压电陶瓷片在工作中因机械损耗产生的热效应和谐振点因温度升高而发生的轻微漂移。

在本发明实施例中，所述步骤二中，采用扫略的方法对有限元模型进行网格划分，且网格尺寸采用0.025mm，划分单元的过程中需要对各个部分的材料属性和单元类型进行分配，对于压电材料通过建立局部坐标系对相邻的压电陶瓷片进行不同方向的极化。

在本发明实施例中，所述步骤三中，需要模拟的模态单元类型包括：一阶纵振模态、扭转模态、圆盘振动模态以及二阶纵振模态。

在本发明实施例中，所述步骤四中，采用Block Lanczos方法对不同的模态进行分析，且模态分析的扫频范围从8kHZ到28kHZ。

实施例二

请参阅图1～2，一种压电超声换能器的有限元分析方法，包括以下步骤：

步骤一、预处理，根据超声换能器系统的组成，将构成换能器系统的各个结构组件进行组装连接，以构成换能器的物理模型；

步骤二、前处理，将所构成的换能器物理模型转换成几何模型，以及依据换能器物理模型的材料参数，并根据不同的模态单元类型构建相应的换能器的三维有限元模型，再对所构建的有限元模型进行网格划分；

步骤三、求解，根据需要模拟的模态单元类型，对换能器的有限元模型施加相应的载荷，并对模拟结果进行求解；

步骤四、后处理，将所获得的求解结果进行输出，以提取相应参数，并根据参数对不同单元类型的模态进行分析。

在本发明实施例中，图2中(a)为换能器系统的第一阶纵振模态，该模态下振动的最大位移为换能器后端，工具头端面的振幅最小，没有实现能量的聚集放大，不符合实际应用的需求；

在本发明实施例中，图2中(b)为换能器系统的振动模态，换能器系统的工具头发生了明显的扭转，称为扭转振动模态；

在本发明实施例中，图2中(c)为换能器系统的振动模态，主要发生的是固定连接的法兰盘周期性翘曲振动，换能器系统没有明显的纵向振动；

在本发明实施例中，图2中(d)为换能器系统的第一阶振动模态，金属后端的振动位移较小，工具头端面的振幅最大，实现了能量的聚集放大；工具头与变幅杆的连接处振幅几乎为零，有效的避免了工具头与变幅杆之间螺纹连接的磨损和能量消耗，该振动模态是换能器系统的共振模态。在共振动模态下，换能器系统的能量传递效率最高，因此，选取第二阶纵振模态为其工作模态，得到了工作模态下的谐振频率为23.315kHZ，完全满足工程设计需要。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。