ANSYS软件在模拟分析声学换能器中的应用

ANSYS是通常用于分析和设计声学换能器的有限元软件之一,通过实例给出分析声学换能器的处理过程,包括建模、施加载荷、设置求解选项、使用后处理器、以及获得换能器振动辐射参数的一般过程,并涉及宽带换能器、矢量换能器的发射与接收问题,对ANSYS有限元软件模拟换能器的一些经常遇到的问题细节的处理方法做了较全面的概括。还简要讨论了流体中结构模态分析的一般处理方法,对结果数据进行数学运算操作并获得换能器的特性参数等等。     

压电水声换能器的声学特性分析

压电水声换能器是一种既能作为驱动器又能作为传感器工作的水下探测装置。准确预测其在嘈杂水下环境中的声学特性对设计出坚固耐用的换能器是十分重要的。有限元方法对分析换能器在不同环境中的各种性能十分有效和实用。建立了一种Tonpilz型换能器的二维轴对称有限元模型，设计了基于有限元方法的程序，对其进行了动力学分析，包括模态分析和谐响应分析等，获得了一些声学特性。该程序分析的结果与ANSYS软件分析的结果显示出较好的吻合性。     

基于近场测量法的水声换能器声场重建方法研究

为了提高对水声换能器声场分析的效率,开展了基于近场测量法的水声换能器的声场重建方法研究,首先将水声换能器的全息测量面近似为等效声源面,通过积分得到声场重建模型,然后利用自主研发的水下声场测量系统获得发射换能器全息测量面的复声压,实现对其声场的重建,最后比较不同全息测量面的重建结果和实测数据,并分析全息测量面的位置对重建结果的误差影响,得到了重建方法的有效测量区间。该声场重建方法可快速得到水声换能器的声场分布,并且准确可靠。     

带框复合墙板承载力计算的简化模型与方法

建立了带框复合剪力墙板承载力计算的简化模型——带有等效斜撑的刚架,模型中考虑了复合墙板随刚度变化而产生的内力重分布现象,确定了等效斜撑的宽度和钢筋面积。基于对作为等效斜撑的夹芯板的承载力和作为刚架的边框的承载力以及复合墙板抗滑移承载力计算方法的分析,提出了带框复合剪力墙板的极限承载力计算方法。将简化模型计算结果与试验结果进行了对比分析,分析表明:应用该承载力计算的简化模型和方法分析的结果与试验结果吻合较好,说明该模型和计算方法是带框复合墙板承载力计算的一种有效的简化模型与方法。     

超磁致伸缩换能器磁力耦合固有特性分析

建立了超磁致伸缩换能器弹性支撑连续体磁力耦合模型,从第一类压磁方程出发,利用简化后得出的轴向压磁方程,建立了超磁致伸缩换能器的磁力耦合波动方程,在静态磁场下对换能器的磁力耦合固有特性进行了理论分析,初步确立了超磁致伸缩换能器的磁力耦合固有频率,并与一般连续体纵向振动固有频率进行了分析比较.     

超声换能器的“电感-变压器”阻抗匹配模型研究

在分析超声换能器阻抗特性和电路匹配的基础上,对传统纯电感电容匹配电路模型进行电路仿真和阻抗分析,证明该模型在谐振频率附近有大范围的电抗变化,存在电路不稳定和电阻调节精度低的问题;提出"电感-变压器"阻抗匹配模型,通过电感和变压器分别调节换能器电阻和电抗,实现电路的精确匹配,以提高超声换能器阻抗匹配的精度和稳定性,并给出了理想的匹配条件和匹配参数。利用匝数可调的变压器和电感制作了超声换能器的匹配电路,对20.8 k Hz的变幅杆换能器进行了阻抗匹配的实验测量,结果证明这种"电感-变压器"阻抗匹配模型在谐振频率附近具有较小的电抗变化范围、较低的电阻变化率和较高的电抗调节精度,在超声换能器的自动阻抗匹配中具有良好的应用前景。     

一种可用于重油降粘的大功率超声换能器设计

基于夹心式压电换能器基本原理,设计了一种可用于井口重油降粘和高凝油降凝的工业规模应用的大功率压电超声换能器,其工作频率为16.86 kHz,输入电功率为500 W,可在100℃高温环境下长时间连续工作。首先根据工作环境需要设计了换能器模型,结合等效电路法和传输矩阵法,计算了换能器满足谐振频率条件的各部分参数;通过有限元仿真软件ANSYS对换能器进行了模态分析和谐响应分析,确定了换能器的最佳工作模态和工作频率。根据仿真模型,制作了工程样机,通过阻抗分析仪测得其实际的工作频率与仿真结果的误差为0.5%。这种大功率压电超声换能器有望在重油降粘以及超声处理工业中得到规模化应用。     

水下潜艇面尺度目标模拟换能器基阵实现方案

以"┻"字形面尺度亮点回波模拟的工程简化模型为基础,根据已往的"━"字形线尺度亮点回波模拟工程模型的应用经验和实践成果,探讨了"┻"字形面尺度亮点回波工程简化模型在目标模拟上的换能器基阵应用方案和技术实现方法.     

一种分析非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器性能的方法

非均匀厚度1-3型压电复合材料可用于制作宽带压电换能器,已广泛应用于水浸无损探伤、声波测井以及超声成像等领域。为分析该换能器的振动及其性能,提出了一种并联振子等效电路模型,将非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器看成并联的谐振器阵列,采用三维厚度伸缩振动模型对单个谐振器单元进行理论分析,得出了非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器的阻抗计算公式;为验证该模型的正确性,设计并制作了一个平凹的1-3型压电复合材料换能器;实验结果显示,并联振子等效电路模型能准确的分析非均匀厚度1-3型压电复合材料片的性能。结果表明,非均匀厚度换能器带宽的主要是由压电片的厚度差异决定,研究结果可为非均匀厚度宽带换能器的设计提供参考。     

一种超声手术刀推挽激励换能器的研究

设计了一种超声手术刀用的新型推挽激励换能器。它是在夹心式单晶堆压电超声换能器的经典构造基础上,把原先激励一组压电陶瓷晶片堆的方式,改为同时施加反相激励的前后两组晶堆。利用有限元方法,对该推挽激励换能器进行模态分析和频率响应分析。在相同大小的电压激励下,相对单晶堆换能器,推挽激励换能器可以获得更高的工作带宽和机电耦合系数,提高了换能器的电声转换效率。按照仿真结果加工推挽激励换能器,实现良好的动力学和电学特性,满足设计要求。     

Numerical calculations of acoustic emission

Two computer programs which solve the partial differential equations for sound propagation numerically are applied to the study of problems in acoustic emission. The programs use finite difference and finite element techniques to calculate sound fields due to distributions of sources in complex geometries in two dimensions. The potential to handle more complex geometries and to model more realistic sources is the main advantage of these numerical calculations over the analytic calculations. The main disadvantage of the numerical techniques is the cost of obtaining results since a large main frame computer or supercomputer is required. Both numerical methods are found to agree well with analytic calculations using Green's functions. The finite difference method agrees very well with the analytic calculations but, in its current implementation, is much slower and contains more numerical noise compared to the finite element method. The finite element method has the additional advantage of being capable of handling more complex geometries than the finite difference method.     

土钉支护有限元计算方法研究

本文针对上钉支护,尝试用一种新的视土钉为外力的有限元模型进行分析,模型中只出现上体单元、不另外设计土钉及土钉与土的界面单元,将土钉对土体的作用模拟成外力加在土骨架上,假定土钉与土体变形协调,通过反复的数值叠代,最终得出土钉的内力及边坡的变形．应用这一方法使程序的编制、使用等各方面都变得简单,计算量也大大减少。避免了构造界面单元等复杂工作。本文应用这一方法编制了程序,并使用这一程序对某工程实测进行计算,将计算结果与实测结果进行比较,两者吻合很好。证明这一计算方法用于土钉计算是简便可行的。     

地震作用下水-轴对称柱体相互作用的子结构分析方法

针对水-轴对称柱体动力相互作用问题,提出了一种地震作用下水-结构相互作用的时域子结构分析方法。基于三维不可压缩水体的波动方程和边界条件,利用分离变量法将其转换为环向解析、竖向和径向数值的二维模型;基于比例边界有限元推导了截断边界处无限域水体的动力刚度方程,并将水体内域有限元方程和人工边界处的动水压力进行耦合,从而得到结构表面的动水压力方程;将轴对称柱体结构的有限元方程与动水压力方程耦合,从而得到水-轴对称柱体结构系统的时域有限元方程;数值算例验证该文提出的水-轴对称动力相互作用的子结构方法,结果表明:该文方法具有很高的精度和计算效率。通过对水中轴对称结构地震响应和自振频率的分析表明:地震动水压力对结构自振频率和动力响应的影响随水深的增加而增大。     

裂缝孔隙介质中驱动问题的特征交替方向有限元方法及分析

本文考虑裂缝孔隙介质中驱动问题的数值方法及理论分析。我们分别对压力方程采用混合元方法,对裂缝系统上的浓度方程采用特征线交替方向有限元方法,对岩块系统上的浓度方程采用交替方向有限元方法,证明了交替方向有限元格式具有最优L~2-模和H~1-模误差估计。     

A physically and geometrically nonlinear scaled‐boundary‐based finite element formulation for fracture in elastomers

This paper is devoted to the formulation of a plane scaled boundary finite element with initially constant thickness for physically and geometrically nonlinear material behavior. Special two‐dimensional element shape functions are derived by using the analytical displacement solution of the standard scaled boundary finite element method, which is originally based on linear material behavior and small strains. These 2D shape functions can be constructed for an arbitrary number of element nodes and allow to capture singularities (e.g., at a plane crack tip) analytically, without extensive mesh refinement. Mapping these proposed 2D shape functions to the 3D case, a formulation that is compatible with standard finite elements is obtained. The resulting physically and geometrically nonlinear scaled boundary finite element formulation is implemented into the framework of the finite element method for bounded plane domains with and without geometrical singularities. The numerical realization is shown in detail. To represent the physically and geometrically nonlinear material and structural behavior of elastomer specimens, the extended tube model and the Yeoh model are used. Numerical studies on the convergence behavior and comparisons with standard Q1P0 finite elements demonstrate the correct implementation and the advantages of the developed scaled boundary finite element. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

发动机机体结构振动模态分析

目的　建立某发动机的有限元模型 ,并进行模态分析 ,为研究机体的优化和动力匹配作准备工作 .方法　用 Ansys5.4有限元分析软件 ,对一 1 2缸 V型发动机进行自由模态分析 ,其中采用 1 0节点 4面体单元构造出较详细的机体离散模型 .结果　求解了机体的自由模态参数 ,与试验模态分析所得到的模态参数相对照 .结论　表明有限元方法对复杂结构的动力分析是一种有效方法 ,为进一步研究机体的优化、动力匹配和响应奠定了基础     

冠脉支架膨胀过程的有限元模拟

在研究确定了冠脉支架的几何模型、有限元模型、材料模型、边界条件、求解控制的基础上,利用有限元法对冠脉支架的膨胀过程进行了模拟分析,并对分析结果进行了实验验证.结果表明,利用有限元法建立的力学模型可以在不考虑球囊和血管作用的情况下,较好地模拟和分析冠脉支架的实际膨胀过程.通过该方法设计制造的冠脉支架长度缩短率和狗骨头率分别达到1.31%和3.66%,与有限元分析结果吻合良好.该方法可为新型结构冠脉支架的优化设计提供依据.     

Multiphase hybrid stress finite element analysis of heterogeneous media by simple mesh: One element with one interface

In this paper, a finite element method is proposed to analyze the microscopic and macroscopic mechanical behaviors of heterogeneous media with randomly distributed inclusions. A simple mesh partitioned the domain into regular quadrilateral or triangular elements, where one element may contain two phases. An assumed stress hybrid formulation is implemented in the finite element model and the functional is derived for an element containing two phases. Numerical examples were used to study the microscopic and macroscopic properties of the composites, such as the effective modulus, to validate of the proposed model. The results show that the proposed multiphase hybrid stress finite element model can accurately measure the stress fields of materials with arbitrary microstructural distributions and improve computational efficiency by about 30 to 1500 times in comparison with the traditional displacement based finite element method.     

结构有限元离散化模型的响应相关检验方法

应用时间序列分析理论,在时域内建立了有限元计算响应与试验响应的相关分析数学模型。通过悬臂梁试验和底部固定半开口圆桶试验的实际相关分析,验证了该响应相关分析理论的正确性和实用性,从而为有限元离散化模型的应用可靠性判断及模型修正提供了一种简单适用的方法。     

相控阵超声全聚焦成像算法的有限元仿真研究

基于超声相控阵基本理论和全聚焦成像算法(Total Focus Method,TFM),以30 mm厚的Q235钢板中的孔缺陷检测为研究对象,使用ABAQUS有限元软件,建立了相控阵TFM有限元检测模型。根据模拟结果,在MATLAB软件中编写了相控阵TFM成像算法。同时,采用超声多通道实验平台,对构建的TFM有限元检测模型和编写的相控阵TFM算法进行实验验证。实验结果与有限元模拟结果有较好的一致性。