压电换能器的热仿真分析

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1、第35卷第4期中国测试Vol.35No.42009年7月CHINAMEASUREMENT&TESTJuly，2009压电换能器的热仿真分析陈飞，傅波（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）摘要：压电换能器在工作过程中的发热，不仅会引起换能器的性能下降，而且还可能导致换能器失效。基于传热学的基本理论，应用ANSYS有限元分析软件，建立了压电换能器的热分析模型。采用有限差分的数值求解方法，对换能器的整体温度场进行了求解，分析了前后质量块采用不同材料的Langevin换能器的温度场分布规律，为

2、大功率压电换能器的散热和性能优化方法的研究提供了基础。关键词：压电换能器；发热；热仿真；有限元；温度场中图分类号：TP391.9；TP212文献标识码：A文章编号：1674-5124（2009）04-0104-03ThermalsimulationanalysisofpiezoelectrictransducerCHENFei，FUBo（CollegeofManufacturingScienceandEngineering，SichuanUniversity，Chengdu，610065，China

3、）Abstract:Theheatingofpiezoelectrictransducernotonlylowerstheefficiencyofthesedevices，butmayalsoleadtotheirfailure.Basedontheheattransferequation，theFEMthermalanalysismodelofpiezoelectrictransducerwasestablishedbymeansofANSYS.Thetemperaturefielddistrib

4、utionofLangevintransducerswithvariousmaterialtypeswasanalyzed.Theworkprovidesafoundationforthethermalanalysisandoptimizationoflargepowerpiezoelectrictransducers.Keywords:Piezoelectrictransducer；Heat；Thermalsimulation；Finiteelement；Temperaturefield1引言析，

5、就可以在产品开始生产之前确定和消除热问目前，在功率超声领域，例如超声清洗和超声题，降低设计成本，提高设计、生产、再设计和再生焊接中，对大功率压电换能器的需求不断增加。但产的效能，缩短高性能压电换能器的研制周期，并是，随着功率的提高，压电片的发热量也会相应地有助于进行故障分析。增加，如果换能器结构设计不合理，热量得不到有2压电换能器热仿真分析基本理论效地散发，压电片的温度就会不断上升，从而造成压电换能器热分析，又称为热模拟，是利用换能器性能的下降，严重的情况下（例如接近居里数学的手段在压电换能器的概念

6、设计阶段获得温度）换能器会失效，从而影响整机工作的可靠性，温度分布的方法，它可以使压电换能器设计人员甚至造成设备故障，引起灾难性的后果。统计资料在设计阶段就能发现产品的热缺陷，从而改变其表明，在正常温度范围内，电子元器件的失效率随设计。元器件温度的升高呈指数增加，大致来说，元器件随着现代计算机技术的飞速发展，用数值方法的温度每升高10°C，其可靠性减半。因此，对压电求解传热学问题所占的比重越来越大。数值方法主换能器进行可靠的热分析，实施有效的热控制措要有有限差分法、有限容积法、有限元素法及有限施，是

7、提高换能器工作可靠性的关键措施之一。通分析法等。在计算温度场时，整个传热过程可以简过实验的方法来研究换能器的发热问题，耗时长成化为一个线性稳态传热过程，其温度分布可以根据本高。如果采用数值模拟方法来对换能器进行热分能量守恒方程求解：收稿日期：2008-12-26；收到修改稿日期：2009-03-11鄣鄣kx鄣T鄣+鄣鄣ky鄣T鄣+鄣鄣kz鄣T鄣+qm=C鄣T作者简介：陈飞（1983-），男，四川成都市人，硕士研究生，鄣x鄣x鄣y鄣y鄣z鄣z鄣t专业方向为超声振动技术及应用。（1）第35卷第4期陈飞等

8、：压电换能器的热仿真分析1053式中：C———材料的比热容，单位为J/（K·m）；3.2压电换能器热分析模型鄣T在进行热分析前，首先要根据实体结构建立如———温度随时间的变化率，即单位时间鄣t图2所示的热分析模型。模型的建立必须与实体模的温升；型相一致，考虑到计算量和易于网格剖分等因素，kx，ky，kz———x，y，z方向上的热导率，单位为在ANSYS里建立的1/4分析模型如图3所示。该图-1-1（W·m·K）。是进行了网格剖分后的实体简化模型，此热分析模对于各向同性