ANSYS在超声电机设计中的应用

1 引言 

    ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和藕合场分析于一体的大型通用有限元软件，其具有强大的有限元分析和优化设计功能。它能与大多数CAD软件连接，实现数据的共享和交换，ANSYS自带的编程语言APDL可供用户以ANSYS为平台，进行二次开发，是强有力的计算工具，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。在超声电机的设计研究中，ANSYS软件受到广大研究入员的青睐，已被广泛地应用于超声电机振子模态设计和优化中。 

2 ANSYS主要分析功能 

    ANSYS软件的主要功能有静力学分析、动力学分析、热力学分析、流体分析、藕合场分析、结构优化等。当惯性和阻尼对结构影响不显著时，可用静力学分析求解稳态外载荷引起的位移、应力、应变和力。也可以考虑结构的非线性特性，如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。 

    动力学分析包括模态分析、谱分析、谐响应分析和瞬态动力学分析，主要用来分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、相变分析和热-结构祸合分析。可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。计算系统或部件由于热载荷引起的温度分布及热梯度、热流率、热流密度等参数。 
    
    流体力学分析包括计算流体力学分析（层流、湍流和热流体）和声学分析。对流币权单元进行稳态或瞬态分析。 
    
    ANSYS软件作为一个功能强大的结构分析和结构优化软件，具有多物理场祸合的功能，允许在同一模型上进行各种祸合计算，如：热-应力、磁-热、磁-结构、流体-热、流体-结构、热-电、电路藕合电磁场、电磁及压电祸合分析等。 
    
    通过定义设计变量、状态变量和目标函数等优化变量，可利用ANSYS的优化工具和参数设计语言APDL对模型进行尺寸、形状、支撑位置、制造费用、固有频率、材料等优化设计。ANSYS程序提供了两种优化的方法：零阶方法和一阶方法。对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析-评估-修正的循环过程。 
    
3 ANSYS在超声电机设计中的应用 

    超声电机（Ultrasonic Motor）是利用压电陶瓷（Piezoelectric Ceramic）具有的逆压电效应，即在交变电场作用下，压电陶瓷会产生伸缩现象，通过各种伸缩振动模式的转换与祸合，将电能直接转变为机械振动能，并利用摩擦转变成旋转（或其它运动方式）机械能的驭动装置。其原理如图所示。超声电机是一种新的自动控制执行器，是对传统电磁电机的突破和有力的补充，有很大的应用前景。 
    
                

    有限元法是对超声电机振子进行频率、模态分析时最常用的方法。它的优点在于能适应较为复杂的情况，包括振子所受的力和约束边界条件，结构阻尼，和不同材料、复杂形状组成的结构等。ANSYS软件的出现，为对超声电机进行有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动仿真、模块化设计等方面的设计提供了一种实现手段。 
    
    超声电机实际上是超声频域内的振动电机。不管是行波型或驻波型、旋转型或直线型超声电机都是依靠压电陶瓷的逆压电效应来激发起定子在超声域内的共振（振幅为微米级），再通过定子转子或定子动子之间的摩擦作用，将其微米级共振振动转换为转子或动子的单方向的宏观转动或直线运动。由此，定子的动态特性（共振频率及其振型）就至关重要。选取超声电机定子的最佳共振频率及其振型，并根据其振型来设计压电陶瓷片的形状及其分区极化的配置是超声电机设计的首要问题。应用ANSYS进行模态分析求解超声电机振子的固有频率和振型，其动力方程是： 
    
    [M]（x（t））+[K]（x（t））=0 

    [M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵，（x（t））为位移向量。 
    
    [K]中的每一个元素都与结构模型中的节点坐标有关，为保证[K]能够较好地反映结构的真实刚度，应使所建立的实体模型真实反映模拟结构的几何形状。还应建立一个准确的力学模型，施加外载荷和边界约束条件。 
    
    模态分析可以确定超声电机的振动模态、共振频率以及共振时的振型，根据所得结果和期望结果的差异来调整电机结构尺寸并进行支撑设计，对于初步的电机结构设计有很大作用。在完成电机模态分析和设计后，可以确定谐响应分析的频率范围，接着进行谐响应分析。谐响应分析可以求出某个节点在某个频率点下的振幅，这个振幅是绝对值，不象模态分析中，振幅是一个相对值。再根据谐响应分析的结果对电机的定子的结构进行改进，进一步优化设计电机。 
    
    利用ANSYS软件强大的分析和优化功能，我们设计了多种直线型超声电机，对其运动机理进行了研究，为以后的研究奠定了良好的基础。 
    
    参考文献 
    [1] 王国强 实用工程数俏模拟技术及其在ANSYS上的实践 [M] 西安：西北工业大学出版社，1999 
    [2] 陈精一. 蔡国忠 电脑辅助工程分析-ANSYS使用指南[M] 北京：中国铁道出版社，2001. 
    [3] 赵淳生 21世纪超声电机技术展望[J] 振动、测试与诊断，2000 20（1） 
    [4] 清华大学工程力学系 机械振动 [M] 北京：机械下业出版社 1980