壓電換能器的熱仿真分析

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致?lián)Q能器失效?；趥鳠釋W(xué)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。采用有限差分的數值求解方法對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(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(lèi)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(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計成本,提高設計、生產(chǎn)、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(chǎn)的效能,縮短高性能壓電換能器的研制周期,并是,隨著(zhù)功率的提高壓電片的發(fā)熱量也會(huì )相應地有助于進(jìn)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(huì )不斷上升,從而造成壓電換能器熱分析,又稱(chēng)為熱模擬,是利用換能器性能的下降,嚴重的情況下(例如接近居里數學(xué)的手段在壓電換能器的概念設計階段獲得溫度)換能器會(huì )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。統計資料在設計階段就能發(fā)現產(chǎn)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增加,大致來(lái)說(shuō),元器件隨著(zhù)現代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,用數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(xué)問(wèn)題所占的比重越來(lái)越大。數值方法主換能器進(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。在計算溫度場(chǎng)時(shí)整個(gè)傳熱過(guò)程可以簡(jiǎn)過(guò)實(shí)驗的方法來(lái)研究換能器的發(fā)熱問(wèn)題,耗時(shí)長(cháng)成化為本高。如果采用數值模擬方法來(lái)對換能器進(jìn)行熱分能量守中國煤化工分布可以根據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(zhuān)業(yè)方向為超聲振動(dòng)技術(shù)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(shí)間的變化率,即單位時(shí)間在進(jìn)行熱分析前,首先要根據實(shí)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(shí)體模的溫升;型相一致,考慮到計算量和易于網(wǎng)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(jìn)行了網(wǎng)格剖分后的實(shí)體簡(jiǎn)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(jiǎn)化為壓電片,忽略(2)了螺栓和預應力螺栓絕緣套筒。在穩態(tài)情況下,7=0,上面兩個(gè)方程變?yōu)?(3)t a2t at根據上述控制方程、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(jìn)行求解,即可得到分析時(shí)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(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流系數為20W(m2K);⑤器件的外表的數值模擬方法ANSY作為有限元分析軟件在熱面與周?chē)諝膺M(jìn)行對流換熱其對流換熱系數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周?chē)諝獾臏囟扰疄槌翟撨吔鐫M(mǎn)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件為:象劃分成有限個(gè)單元(包含節點(diǎn)),然后根據能量守進(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)節點(diǎn)處的平衡方程,由此計算出各節點(diǎn)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(jìn)行傳熱分析。熱系數;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;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,壓電堆包括當系統的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化,即流入系統的六片壓電環(huán)片和銅電極,它們通過(guò)螺栓預緊夾在前熱量加上系統自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統的熱后質(zhì)量塊之間。量,系統處于熱穩態(tài)。在熱穩態(tài)分析中任一節點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。穩態(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:傳導矩陣,包含熱導率、對流系數、輻卡群目4射率和形狀系數;中國煤化工CNMH③熱生成。軟件利用模型幾何參數材料熱性能參數以及1 Langevin換能器所施加的邊界條件,生成、T]、(Ql?；谀芰渴刂袊鴾y試00年7月恒原理的熱平衡方程用有限元法計算各節點(diǎn)的溫靠性的關(guān)鍵。度,并導出其他熱物理參數。模型中各材料的屬性4模擬結果及分析見(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采用鋼鋁、銅、鋁鎂合金、鈦合金五種材料,后質(zhì)量材熟導(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)數值有鈦合金限元計算可以得到溫度場(chǎng)分布。模型穩態(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)各種熱對流的方式將熱量散失。熱阻是以達到83931°C,最低溫度出現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?jì)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熱量的傳遞起著(zhù)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(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,但是強度不夠,不適合作為換能器的系,隨著(zhù)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(shí),壓電片溫度超過(guò)390℃,這已經(jīng)熱量的能力不強,通過(guò)對比可以發(fā)現,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(jìn)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(wèn)題的產(chǎn)生。所以在選用金屬塊材料的時(shí)候應綜合陣列來(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(zhù)壓電材料技術(shù)的不斷進(jìn)步,功率型壓電換CNMHG能器朝著(zhù)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(yè))110中國測試200年7月貨車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的應變是判斷橋梁強度的簡(jiǎn)單有效6結束語(yǔ)的方法之一,本試驗共選取了4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行應采用基于 ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現變的測量。由于系統采用無(wú)線(xiàn)和電池供電,所以應變測量系統是充分考慮系統的需要和 ZigBee網(wǎng)安裝非常方便,省去了信號線(xiàn)和電源線(xiàn)。試驗測絡(luò )具有低成本、易實(shí)現、可靠的數據傳輸低功耗以的結果如圖9所示。及各層次的安全性等特點(diǎn)。通過(guò)對傳統應變測量系統的改進(jìn),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(zhù)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[1]張宏鋒李文鋒基于 Zig Bee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究門(mén)武漢理工大學(xué)學(xué)報,200,28(8):12-152]趙妍,岳炳良,高大偉 Zig Be無(wú)線(xiàn)解決方案網(wǎng)絡(luò )層研究門(mén)計算機測量與控制,2007,1(5):6896913]呂治安 ZigBee網(wǎng)絡(luò )原理與應用開(kāi)發(fā)M北京:北京航空圖9試驗數據截圖航天大學(xué)出版社,2008[4]鄭麗國周怡颋凌志浩基于 ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)由于現場(chǎng)環(huán)境一般都十分惡劣,所以對設備要流程及其實(shí)現方法門(mén)自動(dòng)化儀表,2006(27):162-165進(jìn)行必要的抗干擾措施。設計系統時(shí)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(xué)兼容性的設計,對于防電磁于擾主要采用屏蔽濾學(xué)報,2002(3):166-168波和接地3項措施?，F場(chǎng)試驗時(shí)主要采取的措施是沈觀(guān)林,馬良垠電阻應變儀及其應用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,等基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節低的點(diǎn),如果現場(chǎng)沒(méi)有接地點(diǎn),可以通過(guò)埋入地下點(diǎn)的設計與通信實(shí)現門(mén)]現代電子技術(shù),200710)鐵栓等物體完成接地。(上接第106頁(yè))參考文獻對于實(shí)際應用,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)適當調整。其次可以通過(guò)強制冷卻的方法來(lái)改善傳輸矩陣設計法門(mén)應用聲學(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(shū)玉夾心式功率超聲壓電陶瓷換能器的工程設計聲學(xué)技術(shù),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(yǔ)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(jìn)行了熱(]林書(shū)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(zhì)量塊的材壓電與聲光,203,25(3):112-116料散熱性能最好,但從結構的強度考慮采用鋁鎂張國智胡仁喜陳繼剛ANSY0熱力學(xué)有限元分析合金能滿(mǎn)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(chǎn)生熱應⑦7劉國慶傳熱學(xué)哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社,197力問(wèn)題。中國煤化工為了分析過(guò)程的簡(jiǎn)便僅對 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(lèi)型換能器的熱分析和性能優(yōu)化。