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(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院四川成都610065)摘要:壓電換能器在工作過(guò)程中的發(fā)熱不僅會(huì)引起換能器的性能下降而且還可能導(dǎo)致?lián)Q能器失效?；趥鳠釋W(xué)的基本理論應(yīng)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(duì)換能器的整體溫度場(chǎng)進(jìn)行了求解分析了前后質(zhì)量塊采用不同材料的 Langevin換能器的溫度場(chǎng)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(chǔ)關(guān)鍵詞:壓電換能器;發(fā)熱;熱仿真;有限元;溫度場(chǎng)中圖分類號(hào):TP919;TP212文讞標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(chǎn)品開(kāi)始生產(chǎn)之前確定和消除熱問(wèn)目前,在功率超聲領(lǐng)域例如超聲清洗和超聲題降低設(shè)計(jì)成本,提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生焊接中,對(duì)大功率壓電換能器的需求不斷增加。但產(chǎn)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(huì)相應(yīng)地有助于進(jìn)行故障分析。增加,如果換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)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(yán)重的情況下(例如接近居里數(shù)學(xué)的手段在壓電換能器的概念設(shè)計(jì)階段獲得溫度)換能器會(huì)失效,從而影響整機(jī)工作的可靠性,溫度分布的方法,它可以使壓電換能器設(shè)計(jì)人員甚至造成設(shè)備故障,引起災(zāi)難性的后果。統(tǒng)計(jì)資料在設(shè)計(jì)階段就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷,從而改變其表明,在正常溫度范圍內(nèi),電子元器件的失效率隨設(shè)計(jì)。元器件溫度的升髙呈指數(shù)增加,大致來(lái)說(shuō),元器件隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)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(duì)壓電求解傳熱學(xué)問(wèn)題所占的比重越來(lái)越大。數(shù)值方法主換能器進(jìn)行可靠的熱分析,實(shí)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(guān)鍵措施之一。通分析法等。在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)整個(gè)傳熱過(guò)程可以簡(jiǎn)過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)研究換能器的發(fā)熱問(wèn)題,耗時(shí)長(zhǎng)成化為本高。如果采用數(shù)值模擬方法來(lái)對(duì)換能器進(jìn)行熱分能量守中國(guó)煤化工分布可以根據(jù)CNMH作者滴介請(qǐng)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?yàn)槌曊駝?dòng)技術(shù)及應(yīng)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(shí)間的變化率,即單位時(shí)間在進(jìn)行熱分析前,首先要根據(jù)實(shí)體結(jié)構(gòu)建立如圖2所示的熱分析模型。模型的建立必須與實(shí)體模的溫升;型相一致,考慮到計(jì)算量和易于網(wǎng)格剖分等因素k,,—x,y,z方向上的熱導(dǎo)率,單位為在 ANSYS里建立的14分析模型如圖3所示該圖是進(jìn)行了網(wǎng)格剖分后的實(shí)體簡(jiǎn)化模型,此熱分析模對(duì)于各向同性導(dǎo)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(jiǎn)化為壓電片,忽略(2)了螺栓和預(yù)應(yīng)力螺栓絕緣套筒。在穩(wěn)態(tài)情況下,7=0,上面兩個(gè)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(wǎng)格劃分圖一個(gè)溫度場(chǎng)泛函表達(dá)式利用變分法推導(dǎo)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(jìn)行求解,即可得到分析時(shí)作如下假設(shè):①壓電片是平面均勻熱相應(yīng)的計(jì)算結(jié)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(yīng)④壓電片產(chǎn)生的熱功率為100W,與有限元分析的方法是目前在工程領(lǐng)域中常用外界的熱對(duì)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(jìn)行對(duì)流換熱其對(duì)流換熱系數(shù)h為分析方面具有強(qiáng)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(wèn)題其熱分析的基本原理是將所處理的對(duì)件為:象劃分成有限個(gè)單元(包含節(jié)點(diǎn)),然后根據(jù)能量守進(jìn)而進(jìn)一步求解出其他相關(guān)量本文主要通過(guò)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(gè)(5)節(jié)點(diǎn)處的平衡方程,由此計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的溫度值,n,一為邊界處的溫度梯度為導(dǎo)熱分析對(duì)壓電換能器進(jìn)行傳熱分析。熱系數(shù);3.1壓電換能器的結(jié)構(gòu)與原理h——壓電片與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù);Langevin換能器,在原理上可以被簡(jiǎn)化為表示邊界處溫度;“三明治”結(jié)構(gòu)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(gòu)造,壓電堆包括當(dāng)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)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(guò)螺栓預(yù)緊夾在前熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱后質(zhì)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(diǎn)的溫度不隨時(shí)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(zhì)量塊后質(zhì)量塊(以矩陣形式表示):[K]{T={Q}(6)式中:傳導(dǎo)矩陣,包含熱導(dǎo)率、對(duì)流系數(shù)、輻卡群目4射率和形狀系數(shù);中國(guó)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?；谀芰渴刂袊?guó)測(cè)試00年7月恒原理的熱平衡方程用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫靠性的關(guān)鍵。度,并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。模型中各材料的屬性4模擬結(jié)果及分析見(jiàn)表1。換能器的共振頻率為20kHz,前后質(zhì)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(zhì)量材熟導(dǎo)(Wm·K)塊的直徑為50mm,前質(zhì)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(shè)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(guò)數(shù)值有鈦合金限元計(jì)算可以得到溫度場(chǎng)分布。模型穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分壓電片PZT-8布如圖4所示,可以看出,壓電片產(chǎn)生的熱量通過(guò)壓電換能器熱分析中的熱傳遞主要包括兩個(gè)前后質(zhì)量塊將熱量傳遞到外面,由于壓電片在工作方面壓電片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到前后金屬塊的外表中產(chǎn)生的熱量主要集中在中心部分,最高溫度可面再通過(guò)各種熱對(duì)流的方式將熱量散失。熱阻是以達(dá)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(biāo),它由溫差與耗散功塊的聯(lián)接處,大部分熱量要靠?jī)啥说慕饘賶K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(duì)熱量的傳遞起著決定須知道溫度分布低熱阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高器件可性作用。質(zhì)量塊材料為鋼(b)質(zhì)量塊材料為鋁(c)質(zhì)量塊材料為銅d)質(zhì)量塊材料為鋁鎂合金(e)質(zhì)址塊材料為鈦合金圖4壓電換能器的溫度梯場(chǎng)分布采用銅作為壓電換能器的前后質(zhì)量塊,導(dǎo)熱性不變的情況下,功耗與壓電片的溫度成近似正比關(guān)能固然優(yōu)良,但是強(qiáng)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(dāng)輸入前后金屬塊塊材料鋁和鋼材料強(qiáng)度較高但傳遞功率達(dá)到上千瓦時(shí),壓電片溫度超過(guò)390℃,這已經(jīng)熱量的能力不強(qiáng),通過(guò)對(duì)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(dǎo)致壓電片心溫度很高,鋁鎂合金不僅強(qiáng)度高,而且導(dǎo)熱性能的失效,因此不能只追求功率的增大,應(yīng)該進(jìn)一步和銅接近,傳遞熱量的能力強(qiáng),還可以避免熱應(yīng)力優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高散熱效率,或者采用小功率換能器問(wèn)題的產(chǎn)生。所以在選用金屬塊材料的時(shí)候應(yīng)綜合陣列來(lái)獲得更高的工作功率?？紤]各方面的因素。裹2前后質(zhì)量塊材料對(duì)模型分布的影響密度彈性模量熱傳導(dǎo)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(guó)煤化工7829隨著壓電材料技術(shù)的不斷進(jìn)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(duì)圖5輸入功率對(duì)壓電片溫度的影響壓電片溫度的影響,結(jié)果如圖5所示。在其他條件下轉(zhuǎn)第110頁(yè))110中國(guó)測(cè)試200年7月貨車經(jīng)過(guò)時(shí)的應(yīng)變是判斷橋梁強(qiáng)度的簡(jiǎn)單有效6結(jié)束語(yǔ)的方法之一,本試驗(yàn)共選取了4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)采用基于 ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變的測(cè)量。由于系統(tǒng)采用無(wú)線和電池供電,所以應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)是充分考慮系統(tǒng)的需要和 ZigBee網(wǎng)安裝非常方便,省去了信號(hào)線和電源線。試驗(yàn)測(cè)絡(luò)具有低成本、易實(shí)現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)凸囊缘慕Y(jié)果如圖9所示。及各層次的安全性等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn),不僅提高了應(yīng)變測(cè)量的方便性,而且擴(kuò)大了應(yīng)變測(cè)量的應(yīng)用范圍。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)在日常生活中和工業(yè)生產(chǎn)等方面的廣泛應(yīng)用, ZigBee作為種新的技術(shù)必將得到更大的發(fā)展空間參考文獻(xiàn)[1]張宏鋒李文鋒基于 Zig Bee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究門武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),200,28(8):12-152]趙妍,岳炳良,高大偉 Zig Be無(wú)線解決方案網(wǎng)絡(luò)層研究門計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2007,1(5):6896913]呂治安 ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開(kāi)發(fā)M北京:北京航空?qǐng)D9試驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖航天大學(xué)出版社,2008[4]鄭麗國(guó)周怡颋凌志浩基于 ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一般都十分惡劣,所以對(duì)設(shè)備要流程及其實(shí)現(xiàn)方法門自動(dòng)化儀表,2006(27):162-165進(jìn)行必要的抗干擾措施。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須考慮電磁鄭新春嵌入式程控應(yīng)變儀的研制南京理工大學(xué)兼容性的設(shè)計(jì),對(duì)于防電磁于擾主要采用屏蔽濾學(xué)報(bào),2002(3):166-168波和接地3項(xiàng)措施?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)主要采取的措施是沈觀林,馬良垠電阻應(yīng)變儀及其應(yīng)用M北京:清華大學(xué)出版社,1983尋找合適的接地點(diǎn),理想的接地點(diǎn)是接地阻抗非常⑦昂志敏金海紅,范之國(guó),等基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)低的點(diǎn),如果現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有接地點(diǎn),可以通過(guò)埋入地下點(diǎn)的設(shè)計(jì)與通信實(shí)現(xiàn)門]現(xiàn)代電子技術(shù),200710)鐵栓等物體完成接地。(上接第106頁(yè))參考文獻(xiàn)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用,可以采用散熱片來(lái)改進(jìn)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(zhì)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(dāng)調(diào)整。其次可以通過(guò)強(qiáng)制冷卻的方法來(lái)改善傳輸矩陣設(shè)計(jì)法門應(yīng)用聲學(xué),2008,27(5):395-400換能器的散熱性能,也可以采用液冷進(jìn)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(shè)計(jì)聲學(xué)技術(shù),2006,25(2):160-164散熱性能。4]原豐霞張慧君朱國(guó)良基于 ANSYS的超聲變幅桿的5結(jié)束語(yǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)小機(jī)械工程師,2004,30(11):90-94利用有限元分析軟件對(duì)壓電換能器進(jìn)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(shè)計(jì)仿真分析,結(jié)果表明采用銅作為前后質(zhì)量塊的材壓電與聲光,203,25(3):112-116料散熱性能最好,但從結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度考慮采用鋁鎂張國(guó)智胡仁喜陳繼剛ANSY0熱力學(xué)有限元分析合金能滿足換能器對(duì)散熱的要求,使壓電片中心溫北京:機(jī)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(chǎn)生熱應(yīng)⑦7劉國(guó)慶傳熱學(xué)哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社,197力問(wèn)題。中國(guó)煤化工為了分析過(guò)程的簡(jiǎn)便僅對(duì) Langevin換能器進(jìn)③列H用M]北京:科學(xué)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。