【論文摘要】介紹了有限元分析軟件ANSYS的架構(gòu)、主要分析功能及其在超聲電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 1 引言 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和藕合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元軟件，其具有強(qiáng)大的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。它能與大多數(shù)CAD軟件連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，ANSYS自帶的編程語(yǔ)言APDL可供用戶以ANSYS為平臺(tái)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，是強(qiáng)有力的計(jì)算工具，其計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。在超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)研究中，ANSYS軟件受到廣大研究入員的青睞，已被廣泛地應(yīng)用于超聲電機(jī)振子模態(tài)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中。 2 ANSYS主要分析功能 ANSYS軟件的主要功能有靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱力學(xué)分析、流體分析、藕合場(chǎng)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。當(dāng)慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)影響不顯著時(shí)，可用靜力學(xué)分析求解穩(wěn)態(tài)外載荷引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。也可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性，如大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。 動(dòng)力學(xué)分析包括模態(tài)分析、譜分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，主要用來(lái)分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。熱分析包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、相變分析和熱-結(jié)構(gòu)禍合分析?？商幚頍醾鬟f的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。計(jì)算系統(tǒng)或部件由于熱載荷引起的溫度分布及熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。 流體力學(xué)分析包括計(jì)算流體力學(xué)分析（層流、湍流和熱流體）和聲學(xué)分析。對(duì)流幣權(quán)單元進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析。 ANSYS軟件作為一個(gè)功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，具有多物理場(chǎng)禍合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各種禍合計(jì)算，如：熱-應(yīng)力、磁-熱、磁-結(jié)構(gòu)、流體-熱、流體-結(jié)構(gòu)、熱-電、電路藕合電磁場(chǎng)、電磁及壓電禍合分析等。 通過(guò)定義設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)等優(yōu)化變量，可利用ANSYS的優(yōu)化工具和參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL對(duì)模型進(jìn)行尺寸、形狀、支撐位置、制造費(fèi)用、固有頻率、材料等優(yōu)化設(shè)計(jì)。ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法：零階方法和一階方法。對(duì)于這兩種方法，ANSYS程序提供了一系列的分析-評(píng)估-修正的循環(huán)過(guò)程。 3 ANSYS在超聲電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor）是利用壓電陶瓷（Piezoelectric Ceramic）具有的逆壓電效應(yīng)，即在交變電場(chǎng)作用下，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象，通過(guò)各種伸縮振動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換與禍合，將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)能，并利用摩擦轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)（或其它運(yùn)動(dòng)方式）機(jī)械能的馭動(dòng)裝置。其原理如圖所示。超聲電機(jī)是一種新的自動(dòng)控制執(zhí)行器，是對(duì)傳統(tǒng)電磁電機(jī)的突破和有力的補(bǔ)充，有很大的應(yīng)用前景。 有限元法是對(duì)超聲電機(jī)振子進(jìn)行頻率、模態(tài)分析時(shí)最常用的方法。它的優(yōu)點(diǎn)在于能適應(yīng)較為復(fù)雜的情況，包括振子所受的力和約束邊界條件，結(jié)構(gòu)阻尼，和不同材料、復(fù)雜形狀組成的結(jié)構(gòu)等。ANSYS軟件的出現(xiàn)，為對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、模塊化設(shè)計(jì)等方面的設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)現(xiàn)手段。 超聲電機(jī)實(shí)際上是超聲頻域內(nèi)的振動(dòng)電機(jī)。不管是行波型或駐波型、旋轉(zhuǎn)型或直線型超聲電機(jī)都是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來(lái)激發(fā)起定子在超聲域內(nèi)的共振（振幅為微米級(jí)），再通過(guò)定子轉(zhuǎn)子或定子動(dòng)子之間的摩擦作用，將其微米級(jí)共振振動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子或動(dòng)子的單方向的宏觀轉(zhuǎn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)。由此，定子的動(dòng)態(tài)特性（共振頻率及其振型）就至關(guān)重要。選取超聲電機(jī)定子的最佳共振頻率及其振型，并根據(jù)其振型來(lái)設(shè)計(jì)壓電陶瓷片的形狀及其分區(qū)極化的配置是超聲電機(jī)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。應(yīng)用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析求解超聲電機(jī)振子的固有頻率和振型，其動(dòng)力方程是： [M]（x（t））+[K]（x（t））=0 [M]為質(zhì)量矩陣，[K]為剛度矩陣，（x（t））為位移向量。 [K]中的每一個(gè)元素都與結(jié)構(gòu)模型中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)，為保證[K]能夠較好地反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)剛度，應(yīng)使所建立的實(shí)體模型真實(shí)反映模擬結(jié)構(gòu)的幾何形狀。還應(yīng)建立一個(gè)準(zhǔn)確的力學(xué)模型，施加外載荷和邊界約束條件。 模態(tài)分析可以確定超聲電機(jī)的振動(dòng)模態(tài)、共振頻率以及共振時(shí)的振型，根據(jù)所得結(jié)果和期望結(jié)果的差異來(lái)調(diào)整電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸并進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，對(duì)于初步的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大作用。在完成電機(jī)模態(tài)分析和設(shè)計(jì)后，可以確定諧響應(yīng)分析的頻率范圍，接著進(jìn)行諧響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析可以求出某個(gè)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)頻率點(diǎn)下的振幅，這個(gè)振幅是絕對(duì)值，不象模態(tài)分析中，振幅是一個(gè)相對(duì)值。再根據(jù)諧響應(yīng)分析的結(jié)果對(duì)電機(jī)的定子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)。 利用ANSYS軟件強(qiáng)大的分析和優(yōu)化功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了多種直線型超聲電機(jī)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究，為以后的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1] 王國(guó)強(qiáng) 實(shí)用工程數(shù)俏模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐 [M] 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999 [2] 陳精一. 蔡國(guó)忠 電腦輔助工程分析-ANSYS使用指南[M] 北京：中國(guó)鐵道出版社，2001. [3] 趙淳生 21世紀(jì)超聲電機(jī)技術(shù)展望[J] 振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2000 20（1） [4] 清華大學(xué)工程力學(xué)系 機(jī)械振動(dòng) [M] 北京：機(jī)械下業(yè)出版社 1980