Ansys压电效应分析详解：结构电场耦合与应用

Ansys压电分析是一种针对压电材料的复杂数值模拟方法，主要应用于结构与电场相互作用的系统中。压电材料如石英和陶瓷，在施加电压时会发生机械位移，反之，机械振动则会激发电压，这在压力传感器设计中有重要应用。Ansys的Multiphysics或Mechanical软件包提供了多种压电分析类型，包括静力分析、模态分析（例如分块Lanczos求解器）、预应力模态、谐波分析、预应力谐波分析以及瞬态分析。 压电分析中使用的单元类型有PLANE13（四边形单元，KEYOPT(1)=7）、SOLID5（耦合场实体单元，KEYOPT(1)=0或3）和SOLID98（六面体单元，KEYOPT(1)=0或3），这些单元都支持压电自由度的激活，即位移和电压。对于SOLID5和SOLID98，KEYOPT(1)=3专用于激活压电选项。为了准确模拟，模型中所有包含压电自由度的单元（无论压电单元类型）都需要启用压电效应。如果希望消除压电效应，应为材料赋予极小的压电特性。 压电效应在大挠度和应力刚化情况下也需要特殊处理，这可以通过NLGEOM、SSTIF、PSTRES等命令实现，并参考《ANSYS Commands Reference》获取详细信息。对于平面单元PLANE13，KEYOPT(1)=7允许使用大挠度和应力刚化功能，而SOLID5和SOLID98通过KEYOPT(1)=3启用此功能。对于较小的挠度和应力刚化，可以使用KEYOPT(1)=0。 值得注意的是，压电分析不适用于自动求解控制，SOLCONTROL的默认设置仅适用于纯结构或热分析。在进行大挠度压电分析时，必须使用非线性求解命令进行设置，这部分内容可在《ANSYSStructuralAnalysis Guide》的第8.4节找到详细的指导。 在执行压电分析时，需要注意不同类型的分析有不同的最佳求解策略。模态分析推荐使用分块Lanczos求解器，而静力、全谐波和全瞬态分析可以考虑使用稀疏矩阵（SPARSE）求解器或雅可比共轭梯度（JCG）方法。Ansys压电分析是一项精细且关键的技术，它能够帮助工程师深入理解并优化压电材料在实际应用中的行为。