【論文摘要】介紹了有限元分析軟件ANSYS的架構、主要分析功能及其在超聲電機設計中的應用。 1 引言 ANSYS軟件是融結構、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，其具有強大的有限元分析和優化設計功能。它能與大多數CAD軟件連接，實現數據的共享和交換，ANSYS自帶的編程語言APDL可供用戶以ANSYS為平臺，進行二次開發，是強有力的計算工具，其計算結果已成為各類工業產品設計和性能分析的可靠依據。在超聲電機的設計研究中，ANSYS軟件受到廣大研究入員的青睞，已被廣泛地應用于超聲電機振子模態設計和優化中。 2 ANSYS主要分析功能 ANSYS軟件的主要功能有靜力學分析、動力學分析、熱力學分析、流體分析、藕合場分析、結構優化等。當慣性和阻尼對結構影響不顯著時，可用靜力學分析求解穩態外載荷引起的位移、應力、應變和力。也可以考慮結構的非線性特性，如大變形、大應變、應力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。 動力學分析包括模態分析、譜分析、諧響應分析和瞬態動力學分析，主要用來分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產生的應力、應變和變形。熱分析包括穩態熱分析、瞬態熱分析、相變分析和熱-結構禍合分析。可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。計算系統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。 流體力學分析包括計算流體力學分析（層流、湍流和熱流體）和聲學分析。對流幣權單元進行穩態或瞬態分析。 ANSYS軟件作為一個功能強大的結構分析和結構優化軟件，具有多物理場禍合的功能，允許在同一模型上進行各種禍合計算，如：熱-應力、磁-熱、磁-結構、流體-熱、流體-結構、熱-電、電路藕合電磁場、電磁及壓電禍合分析等。 通過定義設計變量、狀態變量和目標函數等優化變量，可利用ANSYS的優化工具和參數設計語言APDL對模型進行尺寸、形狀、支撐位置、制造費用、固有頻率、材料等優化設計。ANSYS程序提供了兩種優化的方法：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-修正的循環過程。 3 ANSYS在超聲電機設計中的應用 超聲電機（Ultrasonic Motor）是利用壓電陶瓷（Piezoelectric Ceramic）具有的逆壓電效應，即在交變電場作用下，壓電陶瓷會產生伸縮現象，通過各種伸縮振動模式的轉換與禍合，將電能直接轉變為機械振動能，并利用摩擦轉變成旋轉（或其它運動方式）機械能的馭動裝置。其原理如圖所示。超聲電機是一種新的自動控制執行器，是對傳統電磁電機的突破和有力的補充，有很大的應用前景。 有限元法是對超聲電機振子進行頻率、模態分析時最常用的方法。它的優點在于能適應較為復雜的情況，包括振子所受的力和約束邊界條件，結構阻尼，和不同材料、復雜形狀組成的結構等。ANSYS軟件的出現，為對超聲電機進行有限元分析、優化設計、可靠性設計、運動仿真、模塊化設計等方面的設計提供了一種實現手段。 超聲電機實際上是超聲頻域內的振動電機。不管是行波型或駐波型、旋轉型或直線型超聲電機都是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應來激發起定子在超聲域內的共振（振幅為微米級），再通過定子轉子或定子動子之間的摩擦作用，將其微米級共振振動轉換為轉子或動子的單方向的宏觀轉動或直線運動。由此，定子的動態特性（共振頻率及其振型）就至關重要。選取超聲電機定子的最佳共振頻率及其振型，并根據其振型來設計壓電陶瓷片的形狀及其分區極化的配置是超聲電機設計的首要問題。應用ANSYS進行模態分析求解超聲電機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構模型中的節點坐標有關，為保證[K]能夠較好地反映結構的真實剛度，應使所建立的實體模型真實反映模擬結構的幾何形狀。還應建立一個準確的力學模型，施加外載荷和邊界約束條件。 模態分析可以確定超聲電機的振動模態、共振頻率以及共振時的振型，根據所得結果和期望結果的差異來調整電機結構尺寸并進行支撐設計，對于初步的電機結構設計有很大作用。在完成電機模態分析和設計后，可以確定諧響應分析的頻率范圍，接著進行諧響應分析。諧響應分析可以求出某個節點在某個頻率點下的振幅，這個振幅是絕對值，不象模態分析中，振幅是一個相對值。再根據諧響應分析的結果對電機的定子的結構進行改進，進一步優化設計電機。 利用ANSYS軟件強大的分析和優化功能，我們設計了多種直線型超聲電機，對其運動機理進行了研究，為以后的研究奠定了良好的基礎。 參考文獻 [1] 王國強 實用工程數俏模擬技術及其在ANSYS上的實踐 [M] 西安：西北工業大學出版社，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世紀超聲電機技術展望[J] 振動、測試與診斷，2000 20（1） [4] 清華大學工程力學系 機械振動 [M] 北京：機械下業出版社 1980