ANSYS 在超声电机设计中的应用

 

    摘要：介绍了有限元分析软件 ANSYS 的架构、主要分析功能及其在超声电机设计中的

 

应用。

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引言

    ANSYS 软件是融结构、流体、电磁场、声场和藕合场分析于一体的大型通用有限元软件，
其具有强大的有限元分析和优化设计功能。它能与大多数 CAD 软件连接，实现数据的共
享和交换，ANSYS 自带的编程语言 APDL 可供用户以 ANSYS 为平台，进行二次开发，
是强有力的计算工具，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。在超
声电机的设计研究中，ANSYS 软件受到广大研究入员的青睐，已被广泛地应用于超声电

 

机振子模态设计和优化中。

    2 ANSYS

 

主要分析功能

    ANSYS 软件的主要功能有静力学分析、动力学分析、热力学分析、流体分析、藕合场分析、
结构优化等。当惯性和阻尼对结构影响不显著时，可用静力学分析求解稳态外载荷引起的
位移、应力、应变和力。也可以考虑结构的非线性特性，如大变形、大应变、应力刚化、接触、

 

塑性、超弹及蠕变等。

    动力学分析包括模态分析、谱分析、谐响应分析和瞬态动力学分析，主要用来分析复杂
结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析包括稳态
热分析、瞬态热分析、相变分析和热-结构祸合分析。可处理热传递的三种基本类型：传导、
对流和辐射。计算系统或部件由于热载荷引起的温度分布及热梯度、热流率、热流密度等参

 

数。

    流体力学分析包括计算流体力学分析(层流、湍流和热流体)和声学分析。对流币权单元进

 

行稳态或瞬态分析。

    ANSYS 软件作为一个功能强大的结构分析和结构优化软件，具有多物理场祸合的功能，
允许在同一模型上进行各种祸合计算，如：热-应力、磁-热、磁-结构、流体-热、流体-结构、
热-

 

电、电路藕合电磁场、电磁及压电祸合分析等。

    通过定义设计变量、状态变量和目标函数等优化变量，可利用 ANSYS 的优化工具和参
数设计语言 APDL 对模型进行尺寸、形状、支撑位置、制造费用、固有频率、材料等优化设计。
ANSYS 程序提供了两种优化的方法：零阶方法和一阶方法。对于这两种方法，ANSYS 程
序提供了一系列的分析-评估-

 

修正的循环过程。

    3 ANSYS

 

在超声电机设计中的应用

    超声电机(Ultrasonic Motor)是利用压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic)具有的逆压电效应，即
在交变电场作用下，压电陶瓷会产生伸缩现象，通过各种伸缩振动模式的转换与祸合，
将电能直接转变为机械振动能，并利用摩擦转变成旋转(或其它运动方式)机械能的驭动