【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)計中的應(yīng)用。 1 引言 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和藕合場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自帶的編程語言APDL可供用戶以ANSYS為平臺，進(jìn)行二次開發(fā)，是強(qiáng)有力的計算工具，其計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)。在超聲電機(jī)的設(shè)計研究中，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、動力學(xué)分析、熱力學(xué)分析、流體分析、藕合場分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。當(dāng)慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)影響不顯著時，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)動力學(xué)分析，主要用來分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動特性，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。可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。計算系統(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)分析包括計算流體力學(xué)分析（層流、湍流和熱流體）和聲學(xué)分析。對流幣權(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，具有多物理場禍合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各種禍合計算，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、電磁及壓電禍合分析等。 通過定義設(shè)計變量、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)計語言APDL對模型進(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。ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法：零階方法和一階方法。對于這兩種方法，ANSYS程序提供了一系列的分析-評估-修正的循環(huán)過程。 3 ANSYS在超聲電機(jī)設(shè)計中的應(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)，即在交變電場作用下，壓電陶瓷會產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象，通過各種伸縮振動模式的轉(zhuǎn)換與禍合，將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動能，并利用摩擦轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)（或其它運(yùn)動方式）機(jī)械能的馭動裝置。其原理如圖所示。超聲電機(jī)是一種新的自動控制執(zhí)行器，是對傳統(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。 有限元法是對超聲電機(jī)振子進(jìn)行頻率、模態(tài)分析時最常用的方法。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)，為對超聲電機(jī)進(jìn)行有限元分析、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、運(yùn)動仿真、模塊化設(shè)計等方面的設(shè)計提供了一種實(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)來激發(fā)起定子在超聲域內(nèi)的共振（振幅為微米級），再通過定子轉(zhuǎn)子或定子動子之間的摩擦作用，將其微米級共振振動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子或動子的單方向的宏觀轉(zhuǎn)動或直線運(yùn)動。由此，定子的動態(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)其振型來設(shè)計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)計的首要問題。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)的振動模態(tài)、共振頻率以及共振時的振型，根據(jù)所得結(jié)果和期望結(jié)果的差異來調(diào)整電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸并進(jìn)行支撐設(shè)計，對于初步的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大作用。在完成電機(jī)模態(tài)分析和設(shè)計后，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)分析可以求出某個節(jié)點(diǎn)在某個頻率點(diǎn)下的振幅，這個振幅是絕對值，不象模態(tài)分析中，振幅是一個相對值。再根據(jù)諧響應(yīng)分析的結(jié)果對電機(jī)的定子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計電機(jī)。 利用ANSYS軟件強(qiáng)大的分析和優(yōu)化功能，我們設(shè)計了多種直線型超聲電機(jī)，對其運(yùn)動機(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. 蔡國忠 電腦輔助工程分析-ANSYS使用指南[M] 北京：中國鐵道出版社，2001. [3] 趙淳生 21世紀(jì)超聲電機(jī)技術(shù)展望[J] 振動、測試與診斷，2000 20（1） [4] 清華大學(xué)工程力學(xué)系 機(jī)械振動 [M] 北京：機(jī)械下業(yè)出版社 1980