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1、毕业论文题目：歪旦g Q 丛墨Q L 壁2 ：2 昼塾复金挝盘鲍查丛垂盆盘一壹堂专业2 Q Q 墨级硕士生姓名：堂垩鑫指导教师( 姓名、职称) ：基造盔塾撞摘要压电复合材料自1 9 7 0 年代问世以来，一直是研究的热点，现在被广泛应用于社会和生活中。本文利用软件对2 2 型压电复合材料进行有限元性能分析，可以获得任意体积比的厚度振动模式机电耦合系数，通过仿真模拟分析和比较，从而可以确定出最优体积比V F ，即能获得最高的机电耦合系数，实现换能器的优化设计。C O M S O LM u l t i p h y s i c s 是一款任意多物理场直接耦合的有限元分析软件，可用于分析和设计声学换能
2、器，随着计算机性能的越来越强大，更是对各种换能器复杂的结构设计和多物理场的耦合给予了有力的技术支持，对各种复杂环境的模拟仿真更接近于现实。本文通过实例说明了C O M S O L 为压电复合材料的优化设计和性能分析提供了有效的计算机辅助分析途径，并与实验测试结果进行比较，验证了仿真值与测试值比较接近。T H E S I S ：F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so f2 - 2P i e z o c o m p o s i t eb yC O M S O LS P E C I A L I Z A T I O N ：A c o u s t i c sP
3、O S T G R A D U A T E ：Y a x i nZ h a n gM E N T O R ：P r o f e s s o rH a o d o n gW uA b s t r a c tP i e z o c o m p o s i t e s ，n o ww i d e l yu s e di nal o to fa s p e c t so fo u rs o c i e t ya n dl i v e s ，h a v ea l w a y sb e e nah o ts u b j e c ts i n c et h e yw e r ei n v e n t e d
4、i n19 7 0 s T h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f2 - 2p i e z o c o m p o s i t eb ym e a n so fs o f t w a r e ，t h et h i c k n e s se l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf a c t o ro fp i e z o c o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tv o l u m ef r a c t i o n
5、sC a nb eo b t a i n e d B yc o m p a r i n gt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n s ，t h eb e s tv o l u m ef r a c t i o ni sd i s c o v e r e d ，u n d e rw h i c ht h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf a c t o rr e a c h e st h em a x i m u mv a l u e S ot h eo p t i m i z e dt
6、 r a n s d u c e rd e s i g n i n gi sr e a l i z e d C O M S O LM u l t i p h y s i c s ，ap i e c eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ew i t hc o u p l i n go fr a n d o mm u l t i p h y s i c s ，C a nb e u s e dt oa n a l y z ea n dd e s i g nu l t r a s o n i ct r a n s d u c
7、 e r sa n dp r o v i d e sg r e a ts u p p o r tt ot h ed e s i g no fv a r i o u sk i n d so fc o m p l i c a t e dt r a n s d u c e r sw i t ht h er a p i di m p r o v e m e n to fc o m p u t e rp o w e r , w h i c hm a k e st h es i m u l a t i o nu n d e rc o m p l e xs i t u a t i o n sm o r ec
8、 l o s et op r a c t i c a lb e h a v i o u r T h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h a t ，C O M S O Ls u p p l i e sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ho fc o m p u t e rm d e da n a l y s i st ot h eo p t i m i z a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fp i e z o c o m p o s i t e sa n
9、 dt r a n s d u c e r s ，a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta g r e ew e l l 5mm叭-洲9“_哪m哪7洲3洲2Y第一章引言目录第二章C O M S O L 有限元软件分析压电材料的基本理论第一节有限元分析机电耦合问题的数理基础第二节C O M S O L 软件简介第三节C O M S O L 有限元软件用于压电材料分析的基本理论第四节C O M S O L 有限元软件用于压电材料分析的具体流程第三章2 2 型压电复合材料的有限元分析过程第一节物理实体
10、分析第二节建模及材料设定第三节边界条件和激励第四节网格化第五节求解第六节后处理第四章结果分析和优化设计第一节实验结果第二节仿真结果和实验结果的比较分析第三节优化设计第五章以后的工作参考文献鸣谢( 1 )( 8 )( 8 )( 1 3 )( 1 4 )( 1 6 )( 1 8 )( 1 8 )( 2 0 )( 2 5 )( 2 8 )( 3 0 )( 3 2 )( 3 6 )( 3 6 )( 3 9 )( 4 3 )( 4 4 )( 4 5 )( 4 9 )第一章引言声学，是物理学的一个重要分支，是一门“古老而年轻”，应用性很强的学科，已渗透到不同的学科领域。而超声学，是声学学科里发展最为活跃的
11、一部分。超声( U l t r a s o n i c ) ，从频率范围而言，指的是频率高于可听声频率范围的声波，即频率高于2 1 0 4 H z ，在超声频段，频率高于1 0 8 H z 的超声成为特超声，特别是介于1 0 8 “ - “ 1 0 1 2 H z 的频段，又被称为微波超声，因为其与电磁波谱中的微波频段相对应1 1 。从功率范围而言，连续波超声一般在毫瓦几十千瓦范围，脉冲超声可达到几分之一毫瓦几兆瓦。从传播介质而言，超声在气体、液体、固体和固溶体等物质均能有效传播，而在这些物质中，不同频率、功率、强度的超声波具有独特的传播特性和效应，因而具有其相应的研究内容和广泛应用。自1 9
12、 世纪末到2 0 世纪初，在物理学上发现了压电效应与逆压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。1 9 1 6 年法国科学家E L a n g e v i n 郎之万首次致力于研究水下超声，用于探测潜艇和海洋。1 9 2 2 年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。4 0 年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1 9 4 9 年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础瞳1 。超声换能器是超声学应用的核心部分，已经具有其独立的地位，在工程材料的无损检测、生物医学诊断、地球物理勘探以及水声通
13、讯等设备中均是关键器件，是系统性能的瓶颈，因此，也一直是研究的热门课题。超声换能器是实现声能和电能相互转换的器件，可以把声能转换为电能，也可以把电能转换为声能b 3 。超声换能器的研究方向主要是尽可能满足工程实用要求的声阻抗、脉冲响应、频率响应、阻抗匹配、声学结构、换能材料及振动模式等特性，并设计和协调这些基本特性，达到电与声之间的最佳转换，实现最有效的转换效率H 1 。按激发超声波的机理来分，主要有压电、磁致伸缩和洛仑兹力三种机理嘲。本文主要讨论的是压电换能器。压电材料是压电换能器的研制、应用和发展的关键。而压电材料种类很多，大致可以分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料三大类。无机压
14、电材料分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体，如水晶( 石英晶体) 、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铌酸锂、钽酸锂等，性能稳定，但是成本很高。压电陶瓷则泛指压电多晶体，压电陶瓷是指用原料进行混合、压铸成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体畸1 。常见压电陶瓷有，钛酸钡B T 、锆钛酸铅P Z T 、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂P B L N 、改性钛酸铅P T 等。此类压电材料的优点是有很高的机电耦合系数，介点常数范围很宽，损耗低，被广泛应用于声纳、水下通讯和医学成像中。但由于单相P Z T陶瓷存
15、在的一些缺点，使其作为换能器材料的应用受到了限制，如，各向异性小，使得不同的振动模式之间相互干扰很大；声阻抗大，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因素高，带宽窄；静水压灵敏度低等n 1 。有机压电材料又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯( P V D F ) ( 薄膜) 及其它为代表的其他有机压电( 薄膜) 材料哺1 。这类材料及其材质柔韧，密度低，声阻抗低和压电电压常数( g ) 高等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数( d ) 偏低，损耗大，机电耦合系数很小，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。第三类是压电复合材料，
16、最早出现在美国宾夕法尼亚州立大学，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的3 。通过不同的组合方式，可以得到多种多样的复合材料。此类压电材料可以成倍地提高材料的某些压电性能，并具有其他压电材料所没有的优良特性，主要表现在以下几个方面：( 1 ) 声阻抗低，易于与水，人体组织等传播介质匹配，同时可以通过改变P Z T 相的体积百分比控制压电复合材料的声阻抗，从而与不同的介质匹配n0 | 。( 2 ) 机电耦合系数高，在某些情况下甚至高于单纯的压电陶瓷，更能有效地实现不同能量形式之间的转换。( 3 ) 机械品质因素低，由于聚合物的衰减大，因此，压电复合材料具有比P Z Tt k 王2 - 3 数量级的机械品质因素，很适合制成宽带脉冲换能器。( 4 ) 具有一定的柔韧性，由于作为填充物的非压电材料由高分子材料构成，它相对于压电陶瓷柔软得多，因此可以很方便地做成各种形状，尤其用作凸阵换能器时，在高温下直接压制成具有一定曲率的球面或柱面，使声波可以直接汇聚到曲率中心，同时可以减少声投射所产生的损失，提高换能器
