第35卷第4期Vol35 No 4200年7月CHINA MEASUREMENT TESTJuy,2009壓電換能器的熱仿真分析陳飛,傅波(四川大學制造科學與工程學院四川成都610065)摘要:壓電換能器在工作過程中的發(fā)熱不僅會引起換能器的性能下降而且還可能導致?lián)Q能器失效?；趥鳠釋W的基本理論應用 ANSYS有限元分析軟件建立了壓電換能器的熱分析模型。采用有限差分的數(shù)值求解方法對換能器的整體溫度場進行了求解分析了前后質量塊采用不同材料的 Langevin換能器的溫度場分布規(guī)律,為大功率壓電換能器的散熱和性能優(yōu)化方法的研究提供了基礎關鍵詞:壓電換能器;發(fā)熱;熱仿真;有限元;溫度場中圖分類號:TP919;TP212文讞標識碼:A文章編號: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,就可以在產品開始生產之前確定和消除熱問目前,在功率超聲領域例如超聲清洗和超聲題降低設計成本,提高設計、生產、再設計和再生焊接中,對大功率壓電換能器的需求不斷增加。但產的效能,縮短高性能壓電換能器的研制周期,并是,隨著功率的提高壓電片的發(fā)熱量也會相應地有助于進行故障分析。增加,如果換能器結構設計不合理,熱量得不到有2壓電換能器熱仿真分析基本理論效地散發(fā),壓電片的溫度就會不斷上升,從而造成壓電換能器熱分析,又稱為熱模擬,是利用換能器性能的下降,嚴重的情況下(例如接近居里數(shù)學的手段在壓電換能器的概念設計階段獲得溫度)換能器會失效,從而影響整機工作的可靠性,溫度分布的方法,它可以使壓電換能器設計人員甚至造成設備故障,引起災難性的后果。統(tǒng)計資料在設計階段就能發(fā)現(xiàn)產品的熱缺陷,從而改變其表明,在正常溫度范圍內,電子元器件的失效率隨設計。元器件溫度的升髙呈指數(shù)增加,大致來說,元器件隨著現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展,用數(shù)值方法的溫度每升高10°C,其可靠性減半。因此,對壓電求解傳熱學問題所占的比重越來越大。數(shù)值方法主換能器進行可靠的熱分析,實施有效的熱控制措要有有限差分法、有限容積法、有限元素法及有限施是提高換能器工作可靠性的關鍵措施之一。通分析法等。在計算溫度場時整個傳熱過程可以簡過實驗的方法來研究換能器的發(fā)熱問題,耗時長成化為本高。如果采用數(shù)值模擬方法來對換能器進行熱分能量守中國煤化工分布可以根據(jù)CNMH作者滴介請飛(932男.四川成都市人碩士研究生,0x“ax+,1游+1a)+9=C0收稿日期:2008-12-26;收到修改稿日期:2009-03-11專業(yè)方向為超聲振動技術及應用。第35卷第4期陳飛等:壓電換能器的熱仿真分析105式中C——材料的比熱容單位為J(Km3);32壓電換能器熱分析模型—溫度隨時間的變化率,即單位時間在進行熱分析前,首先要根據(jù)實體結構建立如圖2所示的熱分析模型。模型的建立必須與實體模的溫升;型相一致,考慮到計算量和易于網格剖分等因素k,,—x,y,z方向上的熱導率,單位為在 ANSYS里建立的14分析模型如圖3所示該圖是進行了網格剖分后的實體簡化模型,此熱分析模對于各向同性導熱材料k二二kk,上式變?yōu)?型中忽略了電極片,將壓電環(huán)簡化為壓電片,忽略(2)了螺栓和預應力螺栓絕緣套筒。在穩(wěn)態(tài)情況下,7=0,上面兩個方程變?yōu)?(3)t a2t at根據(jù)上述控制方程、邊界條件和初始條件創(chuàng)建圖2換能器有限元分析模型圖3模型網格劃分圖一個溫度場泛函表達式利用變分法推導有限元公3施加熱載荷并求解式,然后利用迭代法或消去法進行求解,即可得到分析時作如下假設:①壓電片是平面均勻熱相應的計算結果源;②環(huán)境溫度和換能器的初始溫度為25℃;③忽3壓電換能器的熱仿真分析略熱幅射效應④壓電片產生的熱功率為100W,與有限元分析的方法是目前在工程領域中常用外界的熱對流系數(shù)為20W(m2K);⑤器件的外表的數(shù)值模擬方法ANSY作為有限元分析軟件在熱面與周圍空氣進行對流換熱其對流換熱系數(shù)h為分析方面具有強大的功能可以分析工程中普遍存常數(shù)周圍空氣的溫度女為常數(shù)該邊界滿足的條在的熱問題其熱分析的基本原理是將所處理的對件為:象劃分成有限個單元(包含節(jié)點),然后根據(jù)能量守進而進一步求解出其他相關量本文主要通過穩(wěn)態(tài)式中≈h(恒的原理求解一定邊界條件和初始條件下的每個(5)節(jié)點處的平衡方程,由此計算出各節(jié)點的溫度值,n,一為邊界處的溫度梯度為導熱分析對壓電換能器進行傳熱分析。熱系數(shù);3.1壓電換能器的結構與原理h——壓電片與空氣間的對流換熱系數(shù);Langevin換能器,在原理上可以被簡化為表示邊界處溫度;“三明治”結構壓電環(huán)被夾在兩金屬端塊之間。圖y空氣的溫度。1顯示了 Langevin換能器的典型構造,壓電堆包括當系統(tǒng)的溫度場不隨時間變化,即流入系統(tǒng)的六片壓電環(huán)片和銅電極,它們通過螺栓預緊夾在前熱量加上系統(tǒng)自身產生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱后質量塊之間。量,系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在熱穩(wěn)態(tài)分析中任一節(jié)點的溫度不隨時間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為電極片壓電片前質量塊后質量塊(以矩陣形式表示):[K]{T={Q}(6)式中:傳導矩陣,包含熱導率、對流系數(shù)、輻卡群目4射率和形狀系數(shù);中國煤化工CNMH③熱生成。軟件利用模型幾何參數(shù)材料熱性能參數(shù)以及1 Langevin換能器所施加的邊界條件,生成、T]、(Ql。基于能量守中國測試00年7月恒原理的熱平衡方程用有限元法計算各節(jié)點的溫靠性的關鍵。度,并導出其他熱物理參數(shù)。模型中各材料的屬性4模擬結果及分析見表1。換能器的共振頻率為20kHz,前后質量塊分別襄1換能橫型中材料的參數(shù)采用鋼鋁、銅、鋁鎂合金、鈦合金五種材料,后質量材熟導(Wm·K)塊的直徑為50mm,前質量塊大端直徑為50mm小端直徑為39mm。壓電片直徑為50mm,厚度為38652mm,假設換能器的功率為100W,可算出施加幅合盒在壓電片上的熱載荷為1510W/m2,通過數(shù)值有鈦合金限元計算可以得到溫度場分布。模型穩(wěn)態(tài)溫度場分壓電片PZT-8布如圖4所示,可以看出,壓電片產生的熱量通過壓電換能器熱分析中的熱傳遞主要包括兩個前后質量塊將熱量傳遞到外面,由于壓電片在工作方面壓電片產生的熱量傳導到前后金屬塊的外表中產生的熱量主要集中在中心部分,最高溫度可面再通過各種熱對流的方式將熱量散失。熱阻是以達到83931°C,最低溫度出現(xiàn)在壓電片與金屬衡量器件散熱性能的重要指標,它由溫差與耗散功塊的聯(lián)接處,大部分熱量要靠兩端的金屬塊傳遞率的比率決定即R=△T/P,要想得到熱阻,首先必出去。因此兩端金屬材料對熱量的傳遞起著決定須知道溫度分布低熱阻的結構設計是提高器件可性作用。質量塊材料為鋼(b)質量塊材料為鋁(c)質量塊材料為銅d)質量塊材料為鋁鎂合金(e)質址塊材料為鈦合金圖4壓電換能器的溫度梯場分布采用銅作為壓電換能器的前后質量塊,導熱性不變的情況下,功耗與壓電片的溫度成近似正比關能固然優(yōu)良,但是強度不夠,不適合作為換能器的系,隨著功耗的增大,壓電片溫度逐步升高,當輸入前后金屬塊塊材料鋁和鋼材料強度較高但傳遞功率達到上千瓦時,壓電片溫度超過390℃,這已經熱量的能力不強,通過對比可以發(fā)現(xiàn),壓電片的中超出了本壓電片的居里溫度310℃,將導致壓電片心溫度很高,鋁鎂合金不僅強度高,而且導熱性能的失效,因此不能只追求功率的增大,應該進一步和銅接近,傳遞熱量的能力強,還可以避免熱應力優(yōu)化結構提高散熱效率,或者采用小功率換能器問題的產生。所以在選用金屬塊材料的時候應綜合陣列來獲得更高的工作功率?？紤]各方面的因素。裹2前后質量塊材料對模型分布的影響密度彈性模量熱傳導率壓電片中心材料名KE(kgmm2)/(W·m4·K-)溫度PC45鋼78102080072.706鈦合金83931鋁鎂合金266067804008500672192700中國煤化工7829隨著壓電材料技術的不斷進步,功率型壓電換CNMHG能器朝著大功率方向發(fā)展。本文模擬了輸人功率對圖5輸入功率對壓電片溫度的影響壓電片溫度的影響,結果如圖5所示。在其他條件下轉第110頁)110中國測試200年7月貨車經過時的應變是判斷橋梁強度的簡單有效6結束語的方法之一,本試驗共選取了4個關鍵點進行應采用基于 ZigBee技術的無線傳感器網絡實現(xiàn)變的測量。由于系統(tǒng)采用無線和電池供電,所以應變測量系統(tǒng)是充分考慮系統(tǒng)的需要和 ZigBee網安裝非常方便,省去了信號線和電源線。試驗測絡具有低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)凸囊缘慕Y果如圖9所示。及各層次的安全性等特點。通過對傳統(tǒng)應變測量系統(tǒng)的改進,不僅提高了應變測量的方便性,而且擴大了應變測量的應用范圍。隨著傳感器網絡在日常生活中和工業(yè)生產等方面的廣泛應用, ZigBee作為種新的技術必將得到更大的發(fā)展空間參考文獻[1]張宏鋒李文鋒基于 Zig Bee技術的無線傳感器網絡的研究門武漢理工大學學報,200,28(8):12-152]趙妍,岳炳良,高大偉 Zig Be無線解決方案網絡層研究門計算機測量與控制,2007,1(5):6896913]呂治安 ZigBee網絡原理與應用開發(fā)M北京:北京航空圖9試驗數(shù)據(jù)截圖航天大學出版社,2008[4]鄭麗國周怡颋凌志浩基于 ZigBee技術的產品開發(fā)由于現(xiàn)場環(huán)境一般都十分惡劣,所以對設備要流程及其實現(xiàn)方法門自動化儀表,2006(27):162-165進行必要的抗干擾措施。設計系統(tǒng)時必須考慮電磁鄭新春嵌入式程控應變儀的研制南京理工大學兼容性的設計,對于防電磁于擾主要采用屏蔽濾學報,2002(3):166-168波和接地3項措施?，F(xiàn)場試驗時主要采取的措施是沈觀林,馬良垠電阻應變儀及其應用M北京:清華大學出版社,1983尋找合適的接地點,理想的接地點是接地阻抗非常⑦昂志敏金海紅,范之國,等基于無線傳感器網絡節(jié)低的點,如果現(xiàn)場沒有接地點,可以通過埋入地下點的設計與通信實現(xiàn)門]現(xiàn)代電子技術,200710)鐵栓等物體完成接地。(上接第106頁)參考文獻對于實際應用,可以采用散熱片來改進壓電片[1FuB, Hensel T, Wallaschek J. Piezoelectric transducer的散熱性能,在不影響壓電換能器的工作頻率的design via multiobjective optimization []. Ultrasonics情況下,可以在壓電片中心添加圓形銅質散熱2006,44(1):747-752.片,其直徑可以大于壓電片,厚度方向也可以做2]黃振偉傅波,穆飛夾心式壓電超聲換能器串并聯(lián)適當調整。其次可以通過強制冷卻的方法來改善傳輸矩陣設計法門應用聲學,2008,27(5):395-400換能器的散熱性能,也可以采用液冷進一步改善3]林書玉夾心式功率超聲壓電陶瓷換能器的工程設計聲學技術,2006,25(2):160-164散熱性能。4]原豐霞張慧君朱國良基于 ANSYS的超聲變幅桿的5結束語優(yōu)化設計小機械工程師,2004,30(11):90-94利用有限元分析軟件對壓電換能器進行了熱(]林書玉夾心式壓電陶瓷功率超聲換能器的優(yōu)化設計仿真分析,結果表明采用銅作為前后質量塊的材壓電與聲光,203,25(3):112-116料散熱性能最好,但從結構的強度考慮采用鋁鎂張國智胡仁喜陳繼剛ANSY0熱力學有限元分析合金能滿足換能器對散熱的要求,使壓電片中心溫北京:機械工業(yè)出版社,2007:199-202度比別的材料低16℃左右,并且不容易產生熱應⑦7劉國慶傳熱學哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社,197力問題。中國煤化工為了分析過程的簡便僅對 Langevin換能器進③列H用M]北京:科學出CNMHG行了熱分析但其基本方法可推廣用于其他類型換能器的熱分析和性能優(yōu)化。