压电换能器的热仿真分析

第35卷第4期Vol35 No 4200年7月CHINA MEASUREMENT TESTJuy,2009压电换能器的热仿真分析陈飞,傅波(四川大学制造科学与工程学院四川成都610065)摘要:压电换能器在工作过程中的发热不仅会引起换能器的性能下降而且还可能导致换能器失效。基于传热学的基本理论应用 ANSYS有限元分析软件建立了压电换能器的热分析模型。采用有限差分的数值求解方法对换能器的整体温度场进行了求解分析了前后质量块采用不同材料的 Langevin换能器的温度场分布规律,为大功率压电换能器的散热和性能优化方法的研究提供了基础关键词:压电换能器;发热;热仿真;有限元;温度场中图分类号:TP919;TP212文谳标识码:A文章编号:1674-5124(200004010403Thermal simulation analysis of piezoelectric transducerCHEN Fei, F BoCollege of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu, 610065, China)Abstract: The heating of piezoelectric transducer not only lowers the efficiency of these devices, but may alsolead to their failure. Based on the heat transfer equation, the FEM thermal analysis model of piezoelectrictransducer was established by means of ANSYS. The temperature field distribution of Langevin transducers withvarious material types was analyzed. The work provides a foundation for the thermal analysis and optimization oflarge power piezoelectric transducers.Key words: Piezoelectric transducer; Heat; Thermal simulation; Finite element; Temperature field1引言析,就可以在产品开始生产之前确定和消除热问目前,在功率超声领域例如超声清洗和超声题降低设计成本,提高设计、生产、再设计和再生焊接中,对大功率压电换能器的需求不断增加。但产的效能,缩短高性能压电换能器的研制周期,并是,随着功率的提高压电片的发热量也会相应地有助于进行故障分析。增加,如果换能器结构设计不合理,热量得不到有2压电换能器热仿真分析基本理论效地散发,压电片的温度就会不断上升,从而造成压电换能器热分析,又称为热模拟,是利用换能器性能的下降,严重的情况下(例如接近居里数学的手段在压电换能器的概念设计阶段获得温度)换能器会失效,从而影响整机工作的可靠性,温度分布的方法,它可以使压电换能器设计人员甚至造成设备故障,引起灾难性的后果。统计资料在设计阶段就能发现产品的热缺陷,从而改变其表明,在正常温度范围内,电子元器件的失效率随设计。元器件温度的升髙呈指数增加,大致来说,元器件随着现代计算机技术的飞速发展,用数值方法的温度每升高10°C,其可靠性减半。因此,对压电求解传热学问题所占的比重越来越大。数值方法主换能器进行可靠的热分析,实施有效的热控制措要有有限差分法、有限容积法、有限元素法及有限施是提高换能器工作可靠性的关键措施之一。通分析法等。在计算温度场时整个传热过程可以简过实验的方法来研究换能器的发热问题,耗时长成化为本高。如果采用数值模拟方法来对换能器进行热分能量守中国煤化工分布可以根据CNMH作者滴介请飞(932男.四川成都市人硕士研究生,0x“ax+,1游+1a)+9=C0收稿日期:2008-12-26;收到修改稿日期:2009-03-11专业方向为超声振动技术及应用。第35卷第4期陈飞等:压电换能器的热仿真分析105式中C——材料的比热容单位为J(Km3);32压电换能器热分析模型—温度随时间的变化率,即单位时间在进行热分析前,首先要根据实体结构建立如图2所示的热分析模型。模型的建立必须与实体模的温升;型相一致,考虑到计算量和易于网格剖分等因素k,,—x,y,z方向上的热导率,单位为在 ANSYS里建立的14分析模型如图3所示该图是进行了网格剖分后的实体简化模型,此热分析模对于各向同性导热材料k二二kk,上式变为:型中忽略了电极片,将压电环简化为压电片,忽略(2)了螺栓和预应力螺栓绝缘套筒。在稳态情况下,7=0,上面两个方程变为:(3)t a2t at根据上述控制方程、边界条件和初始条件创建图2换能器有限元分析模型图3模型网格划分图一个温度场泛函表达式利用变分法推导有限元公3施加热载荷并求解式,然后利用迭代法或消去法进行求解,即可得到分析时作如下假设:①压电片是平面均匀热相应的计算结果源;②环境温度和换能器的初始温度为25℃;③忽3压电换能器的热仿真分析略热幅射效应④压电片产生的热功率为100W,与有限元分析的方法是目前在工程领域中常用外界的热对流系数为20W(m2K);⑤器件的外表的数值模拟方法ANSY作为有限元分析软件在热面与周围空气进行对流换热其对流换热系数h为分析方面具有强大的功能可以分析工程中普遍存常数周围空气的温度女为常数该边界满足的条在的热问题其热分析的基本原理是将所处理的对件为:象划分成有限个单元(包含节点),然后根据能量守进而进一步求解出其他相关量本文主要通过稳态式中≈h(恒的原理求解一定边界条件和初始条件下的每个(5)节点处的平衡方程,由此计算出各节点的温度值,n,一为边界处的温度梯度为导热分析对压电换能器进行传热分析。热系数;3.1压电换能器的结构与原理h——压电片与空气间的对流换热系数;Langevin换能器,在原理上可以被简化为表示边界处温度;“三明治”结构压电环被夹在两金属端块之间。图y空气的温度。1显示了 Langevin换能器的典型构造,压电堆包括当系统的温度场不随时间变化,即流入系统的六片压电环片和铜电极,它们通过螺栓预紧夹在前热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热后质量块之间。量,系统处于热稳态。在热稳态分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为电极片压电片前质量块后质量块(以矩阵形式表示):[K]{T={Q}(6)式中:传导矩阵,包含热导率、对流系数、辐卡群目4射率和形状系数;中国煤化工CNMH③热生成。软件利用模型几何参数材料热性能参数以及1 Langevin换能器所施加的边界条件,生成、T]、(Ql。基于能量守中国测试00年7月恒原理的热平衡方程用有限元法计算各节点的温靠性的关键。度,并导出其他热物理参数。模型中各材料的属性4模拟结果及分析见表1。换能器的共振频率为20kHz,前后质量块分别襄1换能横型中材料的参数采用钢铝、铜、铝镁合金、钛合金五种材料,后质量材熟导(Wm·K)块的直径为50mm,前质量块大端直径为50mm小端直径为39mm。压电片直径为50mm,厚度为38652mm,假设换能器的功率为100W,可算出施加幅合盒在压电片上的热载荷为1510W/m2,通过数值有钛合金限元计算可以得到温度场分布。模型稳态温度场分压电片PZT-8布如图4所示,可以看出,压电片产生的热量通过压电换能器热分析中的热传递主要包括两个前后质量块将热量传递到外面,由于压电片在工作方面压电片产生的热量传导到前后金属块的外表中产生的热量主要集中在中心部分,最高温度可面再通过各种热对流的方式将热量散失。热阻是以达到83931°C,最低温度出现在压电片与金属衡量器件散热性能的重要指标,它由温差与耗散功块的联接处,大部分热量要靠两端的金属块传递率的比率决定即R=△T/P,要想得到热阻,首先必出去。因此两端金属材料对热量的传递起着决定须知道温度分布低热阻的结构设计是提高器件可性作用。质量块材料为钢(b)质量块材料为铝(c)质量块材料为铜d)质量块材料为铝镁合金(e)质址块材料为钛合金图4压电换能器的温度梯场分布采用铜作为压电换能器的前后质量块,导热性不变的情况下,功耗与压电片的温度成近似正比关能固然优良,但是强度不够,不适合作为换能器的系,随着功耗的增大,压电片温度逐步升高,当输入前后金属块块材料铝和钢材料强度较高但传递功率达到上千瓦时,压电片温度超过390℃,这已经热量的能力不强,通过对比可以发现,压电片的中超出了本压电片的居里温度310℃,将导致压电片心温度很高,铝镁合金不仅强度高,而且导热性能的失效,因此不能只追求功率的增大,应该进一步和铜接近,传递热量的能力强,还可以避免热应力优化结构提高散热效率,或者采用小功率换能器问题的产生。所以在选用金属块材料的时候应综合阵列来获得更高的工作功率。考虑各方面的因素。裹2前后质量块材料对模型分布的影响密度弹性模量热传导率压电片中心材料名KE(kgmm2)/(W·m4·K-)温度PC45钢78102080072.706钛合金83931铝镁合金266067804008500672192700中国煤化工7829随着压电材料技术的不断进步,功率型压电换CNMHG能器朝着大功率方向发展。本文模拟了输人功率对图5输入功率对压电片温度的影响压电片温度的影响,结果如图5所示。在其他条件下转第110页)110中国测试200年7月货车经过时的应变是判断桥梁强度的简单有效6结束语的方法之一,本试验共选取了4个关键点进行应采用基于 ZigBee技术的无线传感器网络实现变的测量。由于系统采用无线和电池供电,所以应变测量系统是充分考虑系统的需要和 ZigBee网安装非常方便,省去了信号线和电源线。试验测络具有低成本、易实现、可靠的数据传输低功耗以的结果如图9所示。及各层次的安全性等特点。通过对传统应变测量系统的改进,不仅提高了应变测量的方便性,而且扩大了应变测量的应用范围。随着传感器网络在日常生活中和工业生产等方面的广泛应用, ZigBee作为种新的技术必将得到更大的发展空间参考文献[1]张宏锋李文锋基于 Zig Bee技术的无线传感器网络的研究门武汉理工大学学报,200,28(8):12-152]赵妍,岳炳良,高大伟 Zig Be无线解决方案网络层研究门计算机测量与控制,2007,1(5):6896913]吕治安 ZigBee网络原理与应用开发M北京:北京航空图9试验数据截图航天大学出版社,2008[4]郑丽国周怡颋凌志浩基于 ZigBee技术的产品开发由于现场环境一般都十分恶劣,所以对设备要流程及其实现方法门自动化仪表,2006(27):162-165进行必要的抗干扰措施。设计系统时必须考虑电磁郑新春嵌入式程控应变仪的研制南京理工大学兼容性的设计,对于防电磁于扰主要采用屏蔽滤学报,2002(3):166-168波和接地3项措施。现场试验时主要采取的措施是沈观林,马良垠电阻应变仪及其应用M北京:清华大学出版社,1983寻找合适的接地点,理想的接地点是接地阻抗非常⑦昂志敏金海红,范之国,等基于无线传感器网络节低的点,如果现场没有接地点,可以通过埋入地下点的设计与通信实现门]现代电子技术,200710)铁栓等物体完成接地。(上接第106页)参考文献对于实际应用,可以采用散热片来改进压电片[1FuB, Hensel T, Wallaschek J. Piezoelectric transducer的散热性能,在不影响压电换能器的工作频率的design via multiobjective optimization []. Ultrasonics情况下,可以在压电片中心添加圆形铜质散热2006,44(1):747-752.片,其直径可以大于压电片,厚度方向也可以做2]黄振伟傅波,穆飞夹心式压电超声换能器串并联适当调整。其次可以通过强制冷却的方法来改善传输矩阵设计法门应用声学,2008,27(5):395-400换能器的散热性能,也可以采用液冷进一步改善3]林书玉夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计声学技术,2006,25(2):160-164散热性能。4]原丰霞张慧君朱国良基于 ANSYS的超声变幅杆的5结束语优化设计小机械工程师,2004,30(11):90-94利用有限元分析软件对压电换能器进行了热(]林书玉夹心式压电陶瓷功率超声换能器的优化设计仿真分析,结果表明采用铜作为前后质量块的材压电与声光,203,25(3):112-116料散热性能最好,但从结构的强度考虑采用铝镁张国智胡仁喜陈继刚ANSY0热力学有限元分析合金能满足换能器对散热的要求,使压电片中心温北京:机械工业出版社,2007:199-202度比别的材料低16℃左右,并且不容易产生热应⑦7刘国庆传热学哈尔滨:东北林业大学出版社,197力问题。中国煤化工为了分析过程的简便仅对 Langevin换能器进③列H用M]北京:科学出CNMHG行了热分析但其基本方法可推广用于其他类型换能器的热分析和性能优化。