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comsol中压电陶瓷仿真学习-边界设置篇

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comsol中压电陶瓷仿真学习-边界设置篇

     因工作内容改变,最近开始自学comsol,希望能从软件小白的角度分享一些学习经验。本文主要对压电仿真分享一下自己的理解。以如下官网案例为例,主要对其中的压电部分进行讲解,由于声学部分对工作内容并没有指导意义,因此跳过。

官网案例链接(预应力螺栓 Tonpilz 型压电换能器)见附件。

       在压电仿真中一般都会包括固体力学(solid)和静电(es)。固体力学中主要涉及力学上的约束模型和接触,选择所有固体作为计算域。这里的弹簧基础我的理解是有一定柔性的约束,还有一种是固定约束。如果是靠塑胶壳(或者相对较软的材料)限位这里我建议用弹簧基础,这里需要将弹簧类型改为总弹簧常数,Ktot=10000N/m;如果是跟钢板焊接或者用螺钉拧紧那就采用固定约束。

   


      在螺栓预紧力这个选项上,分预紧力和预紧应力,一般是不同的螺栓对应不同的力,这个在网上也能搜索到,这里使用M4的螺栓,预紧力取3100N。在螺栓选择中,选取螺栓中间的一个面,他可以将两侧向这个面拉扯,达到一个预紧力的效果。建立这个面我是通过先建一个平面,再对螺栓进行分割域。

   


      连续性这一选项,归为接触范畴。如果你导入第三方装配体,两个零件相互接触的面应该有两个的,如果是一个体分割域出来的那只有一个面,这个面属于共享面因此不用进行特殊处理。在两个面的情况下,需要传递力或者位移,在组件-定义选项中定义一致边界对或者接触对。接触对:两表面之间可以远离、紧贴,但不能穿透,每个表面包含区域相对独立;一致对:两表面之间贴紧,经过表面的场或量具有连续性。定义对时,需要有源面和目标面,他的选取原则是:

1、源一般选择刚度(硬度)大,曲率大的物体(刚体的硬度无穷大、直线的曲率为零);

2、目标一般选择刚度小,曲率小的物体;

3、选择优先级:刚度>曲率;

4、目标边界需要更密的网格,建议:目标的网格单元大小为源的一半(目标比源网格加密一倍)。

螺栓处一致对的设置:

   


      压电材料添加两个,域的选择彼此错开就行,在材料的本构关系中选择应力-电荷型,第一个压电材料设置中坐标系就默认全局坐标系,因为默认情况下材料与空间的Z方向重合;而第二个压电材料需要一个坐标系与材料的x3轴重合,材料x3轴现在是向下的,因此将坐标系的Z轴转到下面就行,这里用到的是旋转坐标系,这个坐标系的运转方式是Z-X-Z,Euler 角 α、β 和 γ 的图像,其中 xyz 表示原始坐标系,XYZ 表示旋转坐标系。按右手定则,先绕Z轴旋转α角,然后基于新坐标系绕X轴旋转β角,再基于新坐标系绕Z轴旋转γ角,即可得到最终的坐标系,这里仅需要输入β角为pi即可。这里也可以使用基失坐标系,X3轴填-1即可。

   


      在静电(es)的设置中相对比较简单,选择四个压电陶瓷零件作为计算域,在电荷守恒,压电1中也同样选择四个陶瓷件,其他都默认即可。然后添加接地和终端,终端设置电压,边界面选择交错即可,如下所示,但实际情况是会在中间加五个很薄的铜片接电,如果这样导入进来,我计算了一个case发现并没有起到压电效应,因此需要将铜片去除,并在外部将四个压电陶瓷合为一体,在comsol软件中进行分割域,这样就形成共享面了,会解决该问题。

   
   
   


      固体力学(solid)和静电(es)设置完成压电仿真分析也就可以开始了,以上是我学习的一些小小总结和心得,如果哪里有不对的地方可以私信我指出来,谢谢了。

来源:CAE备忘录

附件

免费官网案例链接(预应力螺栓 Tonpilz 型压电换能器).txt
声学焊接材料螺栓
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首次发布时间:2022-12-25
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