第34卷第4期 金陵科技学院学报 Vol.34.No.4 2018年12月 JOURNAL OF JINLING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Dec.,2018 D0I:10.16515/j.cnki.32-1722/n.2018.04.008 PZT压电材料参数在ANSYS中的定义方法 陈乾伟1，吴辛2，鞠全勇1，高素美1，杨传森 (1.金陵科技学院机电工程学院，江苏南京211169：2.西门子数控（南京）有限公司，江苏南京211100) 摘要：PZT(锆钛酸铅压电陶瓷)在诸多高技术领域获得了广泛的应用，其中就包含超声电机。由于设计超声 电机的第一步是在ANSYS中正确输入PZT的材料参数，因此以PZT-8为例，详细讲述了PZT材料参数在AN SYS中的三种定义方法，并分析了每种定义方法的特点，为进一步的压电分析打下基础。 关键词：PZT;超声电机；ANSYS;定义方法 中图分类号：TM22 文献标识码：A 文章编号：1672-755X(2018)04-0033-05 Definition Method of PZT Material Parameters in ANSYS CHEN Qian-wei!,WU Xin2,JU Quan-yong',GAO Su-mei',YANG Chuan-sen' (1.Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China; 2.SIEMENS CNC (Nanjing)Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China) Abstract:PZT is the lead zirconate titanate piezoelectric ceramics,which has been widely used in many high-tech fields,including ultrasonic motors.The first step in designing an ultrasonic motor is to input the material parameters of PZT correctly in ANSYS.Therefore,taking PZT- 8 as an example,three definitions of PZT material parameters in ANSYS were described in de- tail,and the characteristics of each definition method were analyzed,which formed a founda- tion for further piezoelectric analysis. Key words:PZT;ultrasonic motor;ANSYS;definition method 1955年，美国学者贾菲等人发现了锆钛酸铅压电陶瓷，即PZT。与之前发现并应用的BaTiO3压电 陶瓷相比，PZT具有压电性强、居里温度高、易掺杂改性、稳定性好等优点。因此，它的出现使压电陶瓷的 应用翻开了崭新的一页。目前，PZT在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等高技术领域已获得了广泛 的应用，其中就包含超声电机四。 超声电机是一种主要利用PZT的逆压电效应进行工作的微特电机，它在航空航天、微型机械、智能机 器人等高技术领域有着广阔的应用前景四。目前，用来设计超声电机的主要工具是有限元分析软件A SYS,而设计超声电机的第一步就是在ANSYS中正确输入PZT的材料参数[)。 在ANSYS中，材料分为各向同性材料、正交各向异性材料和各向异性材料三类。PZT属于各向异 性材料，它需要定义的材料参数主要包括密度、压电常数矩阵、介电常数矩阵和柔度（或刚度）常数矩阵。 以超声电机常用的PZT-8为例，极化后PZT-8的材料参数如表1所示[3-可。 收稿日期：2018一10一09 基金项目：江苏省自然科学基金项目(BK20161102):江苏省2017年南京航空航天大学访问学者(FW20170101) 作者简介：陈乾伟(1972一)，男，湖北荆门人，副教授，博士，主要从事直线超声电机及其应用技术研究。 ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第３４卷 第４期 ２０１８年１２月 金 陵 科 技 学 院 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＪＩＮＬＩＮＧＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．，２０１８ ＤＯＩ：１０．１６５１５／ｊ．ｃｎｋｉ．３２－１７２２／ｎ．２０１８．０４．００８ ＰＺＴ压电材料参数在 ＡＮＳＹＳ中的定义方法 陈乾伟１，吴 辛２，鞠全勇１，高素美１，杨传森１ （１．金陵科技学院机电工程学院，江苏 南京 ２１１１６９；２．西门子数控（南京）有限公司，江苏 南京 ２１１１００） 摘 要：ＰＺＴ（锆钛酸铅压电陶瓷）在诸多高技术领域获得了广泛的应用，其中就包含超声电机。由 于 设 计 超 声 电机的第一步是在 ＡＮＳＹＳ中正确输入ＰＺＴ的材料参数，因此以ＰＺＴ－８为例，详细讲述了ＰＺＴ材料参数在 ＡＮ－ ＳＹＳ中的三种定义方法，并分析了每种定义方法的特点，为进一步的压电分析打下基础。 关键词：ＰＺＴ；超声电机；ＡＮＳＹＳ；定义方法 中图分类号：ＴＭ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－７５５Ｘ（２０１８）０４－００３３－０５ 收稿日期：２０１８－１０－０９ 基金项目：江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０１６１１０２）；江苏省２０１７年南京航空航天大学访问学者（ＦＷ２０１７０１０１） 作者简介：陈乾伟（１９７２—），男，湖北荆门人，副教授，博士，主要从事直线超声电机及其应用技术研究。 ＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｏｆＰＺＴＭａｔｅｒｉａｌＰａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎＡＮＳＹＳ ＣＨＥＮ Ｑｉａｎ－ｗｅｉ１，ＷＵ Ｘｉｎ２，ＪＵ Ｑｕａｎ－ｙｏｎｇ１，ＧＡＯＳｕ－ｍｅｉ１，ＹＡＮＧＣｈｕａｎ－ｓｅｎ１ （１．ＪｉｎｌｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１６９，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳＩＥＭＥＮＳＣＮＣ （Ｎａｎｊｉｎｇ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＺＴｉｓｔｈｅｌｅａｄｚｉｒｃｏｎａｔｅｔｉｔａｎａｔｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ ｉｎｍａｎｙｈｉｇｈ－ｔｅｃｈｆｉｅｌｄｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｏｔｏｒｓ．Ｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔｅｐｉｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍｏｔｏｒｉｓｔｏｉｎｐｕｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＰＺＴｃｏｒｒｅｃｔｌｙｉｎＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔａｋｉｎｇＰＺＴ－ ８ａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｒｅｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓｏｆＰＺＴｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎＡＮＳＹＳｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅ－ ｔａｉｌ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅａｃｈｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｆｏｒｍｅｄａｆｏｕｎｄａ－ ｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＺＴ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｏｔｏｒ；ＡＮＳＹＳ；ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ １９５５年，美国学者贾菲等人发现了锆钛酸铅压电陶瓷，即 ＰＺＴ。与之前发现并应用的 ＢａＴｉＯ３ 压电 陶瓷相比，ＰＺＴ 具有压电性强、居里温度高、易掺杂改性、稳定性好等优点。因此，它的出现使压电陶瓷的 应用翻开了崭新的一页。目前，ＰＺＴ 在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等高技术领域已获得了广泛 的应用，其中就包含超声电机［１］。 超声电机是一种主要利用 ＰＺＴ 的逆压电效应进行工作的微特电机，它在航空航天、微型机械、智能机 器人等高技术领域有着广阔的应用前景［２］。目前，用来设计超声电机的主要工具是有限元分析软件 ＡＮ－ ＳＹＳ，而设计超声电机的第一步就是在 ＡＮＳＹＳ中正确输入 ＰＺＴ 的材料参数［２］。 在 ＡＮＳＹＳ中，材料分为各向同性材料、正交各向异性材料和各向异性材料三类。ＰＺＴ 属于各向异 性材料，它需要定义的材料参数主要包括密度、压电常数矩阵、介电常数矩阵和柔度（或刚度）常数矩阵。 以超声电机常用的 ＰＺＴ－８为例，极化后 ＰＺＴ－８的材料参数如表１所示［３－５］
34 金陵科技学院学报 第34卷 表1PZT-8材料参数 柔度常数/ 压电常数/ 介电常数/ 密度/ (×10-12m2·N-1) (×10-12C·N-1) (X10-9F·m-1) (kg·m-3) 511 533 544 5s6 da d3s dis Eu E22e33 7600 11.513.531.9 -3.7-4.831.4 -90 225 33011.4211.428.85 在ANSYS中，PZT-8的极化方向默认为与Z轴平行。根据表1的材料参数以及极化后PZT材料参 数的对称性，沿Z轴方向极化的PZT-8的压电常数矩阵[d]、介电常数矩阵[ε]和柔度常数矩阵[s]分 别为[3-)： 0 0 0 0330 0 [d]= 0 0 03300 0(×10-12m2·N-1) L-90 -902250 00 r11.42 0 01 [&]= 0 11.42 0 (×10-9F·m-1) 0 8.85 r11.5 -3.7 -4.8 0 0 07 -3.711.5 -4.8 0 0 0 -4.8 -4.813.5 0 0 [s]= (×10-12C·N-1) 0 0 0 31.9 0 0 0 0 0 0 31.9 0 0 0 0 0 031.4 在ANSYS中，压电陶瓷材料参数的定义方法有GUI图形界面法、APDL法和数据文件调用法等三 种定义方法。下面以PZT-8为例，分别讲述这三种方法。 1GUI图形界面法 由于压电陶瓷的压电常数矩阵、柔度常数矩阵和介电常数矩阵的格式都遵循EEE规范，即压电常数 矩阵、柔度常数矩阵和介电常数矩阵按照列的顺序为x、y、之、y之、x之、xy;而压电常数矩阵、柔度常数矩阵 和介电常数矩阵在ANSYS输入的顺序为x、y、之、xy、yz、xz。所以，在ANSYS中输入的压电陶瓷材料参 数要进行调整。以PZT-8为例，在ANSYS中输入的压电常数矩阵[d]ANSYS、介电常数矩阵[ε]AsYs和柔度 常数矩阵[s]Ass分别为： 「0 0 00 0 330 [d]ANSYs= 0 0 00330 0 (×10-12m2·N-1) L-90 -902250 0 0 11.42 0 01 [JANSYS= 0 11.42 0 (×10-9F·m-1) 0 0 8.85 11.5 -3.7 -4.8 0 0 07 -3.7 11.5 -4.8 0 0 0 -4.8-4.813.5 0 0 [s]ANSYS 0 (X10-12C·N-1) 0 0 0 31.4 0 0 0 0 0 0 31.9 0 0 0 0 0 031.9 ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
金 陵 科 技 学 院 学 报 第３４卷 表１ ＰＺＴ－８材料参数 密度／ （ｋｇ·ｍ－３） 柔度常数／ （×１０－１２ ｍ２·Ｎ－１） 压电常数／ （×１０－１２ Ｃ·Ｎ－１） 介电常数／ （×１０－９ Ｆ·ｍ－１） ｓ１１ ｓ３３ ｓ４４ ｓ１２ ｓ１３ ｓ６６ ｄ３１ ｄ３３ ｄ１５ ε１１ ε２２ ε３３ ７６００ １１．５ １３．５ ３１．９ －３．７ －４．８ ３１．４ －９０ ２２５ ３３０ １１．４２ １１．４２ ８．８５ 在 ＡＮＳＹＳ中，ＰＺＴ－８的极化方向默认为与Ｚ 轴平行。根据表１的材料参数以及极化后 ＰＺＴ 材料参 数的对称性，沿Ｚ 轴方 向 极 化 的 ＰＺＴ－８的压 电 常 数 矩 阵［ｄ］、介电 常 数 矩 阵［ε］和柔 度 常 数 矩 阵［ｓ］分 别为［３－５］： ［ｄ］＝ ０ ０ ０ ０ ３３０ ０ ０ ０ ０ ３３０ ０ ０ 熿 燀 燄 －９０ －９０ ２２５ ０ ０ ０燅 （×１０－１２ ｍ２·Ｎ－１） ［ε］＝ １１．４２ ０ ０ ０ １１．４２ ０ ０ ０ ８． 熿 燀 燄 ８５燅 （×１０－９ Ｆ·ｍ－１） ［ｓ］＝ １１．５ －３．７ －４．８ ０ ０ ０ －３．７ １１．５ －４．８ ０ ０ ０ －４．８ －４．８ １３．５ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ３１．９ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ３１．９ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ３１． 熿 燀 燄 ４燅 （×１０－１２Ｃ·Ｎ－１） 在 ＡＮＳＹＳ中，压电陶瓷材料参数的定义方法有 ＧＵＩ图形界面法、ＡＰＤＬ 法和数据文件调用法等三 种定义方法。下面以 ＰＺＴ－８为例，分别讲述这三种方法。 １ ＧＵＩ图形界面法 由于压电陶瓷的压电常数矩阵、柔度常数矩阵和介电常数矩阵的格式都遵循ＩＥＥＥ规范，即压电常数 矩阵、柔度常数矩阵和介电常数矩阵按照列的顺序为ｘ、ｙ、ｚ、ｙｚ、ｘｚ、ｘｙ；而压电常数矩阵、柔度常数矩阵 和介电常数矩阵在 ＡＮＳＹＳ输入的顺序为ｘ、ｙ、ｚ、ｘｙ、ｙｚ、ｘｚ。所以，在 ＡＮＳＹＳ中输入的压电陶瓷材料参 数要进行调整。以 ＰＺＴ－８为例，在 ＡＮＳＹＳ中输入的压电常数矩阵［ｄ］ＡＮＳＹＳ、介电常数矩阵［ε］ＡＮＳＹＳ和柔度 常数矩阵［ｓ］ＡＮＳＹＳ分别为： ［ｄ］ＡＮＳＹＳ＝ ０ ０ ０ ０ ０ ３３０ ０ ０ ０ ０ ３３０ ０ 熿 燀 燄 －９０ －９０ ２２５ ０ ０ ０ 燅 （×１０－１２ ｍ２·Ｎ－１） ［ε］ＡＮＳＹＳ＝ １１．４２ ０ ０ ０ １１．４２ ０ ０ ０ ８． 熿 燀 燄 ８５燅 （×１０－９ Ｆ·ｍ－１） ［ｓ］ＡＮＳＹＳ＝ １１．５ －３．７ －４．８ ０ ０ ０ －３．７ １１．５ －４．８ ０ ０ ０ －４．８ －４．８ １３．５ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ３１．４ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ３１．９ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ３１． 熿 燀 燄 ９燅 （×１０－１２ Ｃ·Ｎ－１） ３４
第4期 陈乾伟，等：PZT压电材料参数在ANSYS中的定义方法 35 1.1定义密度 进入Mechanical APDL界面，点击菜单Main Menu)>Preprocessor>Material Props>Material Mod els>Favorites>Linear Static.>Density,输入的结果如图I所示。 1.2定义压电常数矩阵 进入Mechanical APDL界面，点击菜单Main Menu.>Preprocessor>Material Props.>Material Mod els>Piezoelectrics.>Piezoelectric Matrix>.Piezoelectric Strain Matrix[d],输入的结果如图2所示。 1.3定义介电常数矩阵 进入Mechanical APDL界面，点击菜单Main Menu.>Preprocessor>Material Props.>Material Mod- els>Electromagnetics.>Relative Permittivity.>(Orthotropic。若输入的介电常数值1，程序把它当作相对介电常数。输入的结果如图3所示。 1.4定义柔度常数矩阵 进入Mechanical APDL界面，点击菜单Main Menu>Preprocessor.>Material Props.>Material Mod els>Structural>Linear>Elastic>Anisotropic>Flexibility form,输入的结果如图4所示。 由上述PZT-8材料参数的定义可知，采用GUI图形界面法，每次都需要在图形界面下输入PZT-8的 材料参数，输入效率很低，一般只有初学者采用这种方法。 T1 T1 Temperatures ENS 7600 D11 1.15e-011 D12 -3.7e-012 D13 -4.8e-012 图1密度的输入 D14 0 D15 D16 D22 l1.15e-011 E- D23 -4.8e-012 D24 0 33E-010 D25 0 3.3E-010 D26 图2压电常数矩阵的输入 D33 1.35e-011 D34 0 T1 D35 10 D36 0 PERX 1.142E008 PERY 1.1423-008 D44 3.14e-011 PERZ 8.852-009 D45 D46 D55 3.19e-011 图3介电常数矩阵的输入 D56 0 D66 3.19e-011 图4柔度常数矩阵的输入 2APDL法 和GUI图形界面法相比，APDL法输入效率高。只需要在Mechanical APDL界面下，运行下面的 APDL命令流即可完成PZT-8材料参数的定义[。 ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第４期 陈乾伟，等：ＰＺＴ压电材料参数在 ＡＮＳＹＳ中的定义方法 １．１ 定义密度 进入 ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡＰＤＬ界面，点击菜单 ＭａｉｎＭｅｎｕ＞Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ＞ＭａｔｅｒｉａｌＰｒｏｐｓ＞ＭａｔｅｒｉａｌＭｏｄ－ ｅｌｓ＞Ｆａｖｏｒｉｔｅｓ＞ＬｉｎｅａｒＳｔａｔｉｃ＞Ｄｅｎｓｉｔｙ，输入的结果如图１所示。 １．２ 定义压电常数矩阵 进入 ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡＰＤＬ界面，点击菜单 ＭａｉｎＭｅｎｕ＞Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ＞ＭａｔｅｒｉａｌＰｒｏｐｓ＞ＭａｔｅｒｉａｌＭｏｄ－ ｅｌｓ＞Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ＞ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＭａｔｒｉｘ＞ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＳｔｒａｉｎＭａｔｒｉｘ［ｄ］，输入的结果如图２所示。 １．３ 定义介电常数矩阵 进入 ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡＰＤＬ界面，点击菜单 ＭａｉｎＭｅｎｕ＞Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ＞ＭａｔｅｒｉａｌＰｒｏｐｓ＞ＭａｔｅｒｉａｌＭｏｄ－ ｅｌｓ＞Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ＞ＲｅｌａｔｉｖｅＰｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ＞Ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ。若输入的介电常数值＜１，程序把它当作绝 对介电常数；若输入的介电常数值＞１，程序把它当作相对介电常数。输入的结果如图３所示。 １．４ 定义柔度常数矩阵 进入 ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡＰＤＬ界面，点击菜单 ＭａｉｎＭｅｎｕ＞Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ＞ＭａｔｅｒｉａｌＰｒｏｐｓ＞ＭａｔｅｒｉａｌＭｏｄ－ ｅｌｓ＞Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ＞Ｌｉｎｅａｒ＞Ｅｌａｓｔｉｃ＞Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ＞Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｆｏｒｍ，输入的结果如图４所示。 由上述 ＰＺＴ－８材料参数的定义可知，采用 ＧＵＩ图形界面法，每次都需要在图形界面下输入 ＰＺＴ－８的 材料参数，输入效率很低，一般只有初学者采用这种方法。 图１ 密度的输入 图２ 压电常数矩阵的输入 图３ 介电常数矩阵的输入 图４ 柔度常数矩阵的输入 ２ ＡＰＤＬ法 和 ＧＵＩ图形界面法 相 比，ＡＰＤＬ 法输 入 效 率 高。只 需 要 在 ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡＰＤＬ 界面 下，运 行 下 面 的 ＡＰＤＬ命令流即可完成 ＰＺＴ－８材料参数的定义［６］。 ３５
36 金陵科技学院学报 第34卷 /PREP7 进入前处理器 TBDATA,1,1.15E-011,-3.7E-012,-4.8E-012![s]矩 MAT,2. !设定材料编号为2 !阵D11、D12.D13项 MP.DENS.2,7600 !定义材料密度 TBDATA,7,1.15E-011,-4.8E-012 ![s]矩 TB.PIEZ.2...1 !+定义压电常数矩阵 !阵D22、D23项 !选择[d]矩阵形式 TBDATA,12,1.35E-011 ![]矩阵D33项 TBDATA.3.-9E-011 ![d]矩阵d13项 TBDATA,16,3.14E-011 ![s]矩阵D44项 TBDATA,6,-9E-011 ![d]矩阵d23项 TBDATA,19,3.19E-011 ![]矩阵D55项 TBDATA,9,2.25E-010 ![d]矩阵d33项 TBDATA,21,3.19E-011 ![s]矩阵D66项 TBDATA,14,3.3E-010 ![d]矩阵d52项 MP,PERX,2,1.142E-008 !大定义介电常数矩阵 TBDATA,16,3.3E-010 ![d]矩阵d61项 !X介电常数 TB.ANEL,2,,,1!★定义柔度常数矩阵 MP,PERY,2,1.142E-008 !Y介电常数 !选择对应[s]矩阵的柔度形式 MP,PERZ,2,8.85E-009 !Z介电常数 上述APDL命令流只适用于材料编号为2的PZT-8;如果PZT-8的材料编号设定为3，则需要调整有 关材料编号的命令，将相应命令中的材料编号由2改为3。因此APDL法需要根据PZT-8的编号对命令 流进行相应调整。 3数据文件调用法 和APDL法相比，数据文件调用法只需用APDL命令流调用定义了PZT-8材料参数的数据文件即 可完成PZT-8材料参数的定义，无需根据PZT-8的编号对数据文件进行相应调整，输入效率更高。 3.1制作数据文件 首先建立一个PZT-8.txt文件，然后根据PZT-8的材料参数，在文件里写入下列ANSYS二次开发命 令流[]： /COM,Internal UNITS set at file creation time=SI(MKS)!文件内容采用Sl单位制 !*R5.0为数据文件中二次开发命令的格式：MATL指文件当前定义的材料 TBDEL.ALL._MATL !删除材料数据表，为新定义的材料数据表做准备 MPDEL.ALL._MATL !删除材料特性，为新定义的材料特性做准备 MPTEMP.R5.0.1.1.0. !*定义材料密度（定义温度） MPDATA.R5.0,1.DENS,MATL,1,7600, !大密度定义完毕 TBDATA,10,0,0,1.35E-011 TB,PIEZ,MATL,,1!*定义压电常数矩阵 TBDATA,13,0.0,0 !选择[d]矩阵形式 TBDATA,16,3.14E-011,0,0 TBDATA,1,0,0,-9E-011 TBDATA,19,3.19E-011,0,3.19E-011!*[s]矩阵 TBDATA,4,0,0,-9E-011 !定义完毕 TBDATA,7,0,0,2.25E-010 MPTEMP,R5.0,1,1,0.0, !*定义介电常数矩阵 TBDATA,10,0,0,0 !定义温度 TBDATA,13,0.3.3E-010.0 MPDATA.R5.0.1.PERX._MATL.1.1.142E-008, TBDATA,16,3.3E-010,0,0!*[d]矩阵定义完毕 !x介电常数 TB,ANEL,MATL,1,1!+定义柔度常数矩阵 MPTEMP,R5.0,1,1,0.0, !定义温度 !选择柔度形式[s]矩阵 MPDATA.R5.0.1,PERY.MATL.1,1.142E-008, TBTEMP.0.1 !定义温度 !y介电常数 TBDATA,1,1.15E-011,-3.7E-012,-4.8E-012 MPTEMP,R5.0,1,1,0.0 !定义温度 TBDATA.4.0.0.0 MPDATA.R5.0.1,PERZ._MATL.1,8.85E-009. TBDATA,7,1.15E-011,-4.8E-012.0 !介电常数(*介电常数矩阵定义完毕) 写入上述命令流并保存为PZT-8.txt文件，然后将PZT-8.txt文件的后缀名改为SI_MPL,并保存为 PZT-8.SI_MPL文件，PZT-8的数据文件就做好了。 3.2调用数据文件 任选计算机硬盘的一个分区建立ANSYS材料库，例如在F盘建立文件夹material,将文件PZT-8. ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
金 陵 科 技 学 院 学 报 第３４卷 ／ＰＲＥＰ７ ！ 进入前处理器 ＭＡＴ，２， ！设定材料编号为２ ＭＰ，ＤＥＮＳ，２，７６００ ！定义材料密度 ＴＢ，ＰＩＥＺ，２，，，１ ！＊定义压电常数矩阵 ！选择［ｄ］矩阵形式 ＴＢＤＡＴＡ，３，－９Ｅ－０１１ ！［ｄ］矩阵ｄ１３项 ＴＢＤＡＴＡ，６，－９Ｅ－０１１ ！［ｄ］矩阵ｄ２３项 ＴＢＤＡＴＡ，９，２．２５Ｅ－０１０ ！［ｄ］矩阵ｄ３３项 ＴＢＤＡＴＡ，１４，３．３Ｅ－０１０ ！［ｄ］矩阵ｄ５２项 ＴＢＤＡＴＡ，１６，３．３Ｅ－０１０ ！［ｄ］矩阵ｄ６１项 ＴＢ，ＡＮＥＬ，２，，，１ ！＊定义柔度常数矩阵 ！选择对应［ｓ］矩阵的柔度形式 ＴＢＤＡＴＡ，１，１．１５Ｅ－０１１，－３．７Ｅ－０１２，－４．８Ｅ－０１２ ！［ｓ］矩 ！阵 Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３项 ＴＢＤＡＴＡ，７，１．１５Ｅ－０１１，－４．８Ｅ－０１２ ！［ｓ］矩 ！阵 Ｄ２２、Ｄ２３项 ＴＢＤＡＴＡ，１２，１．３５Ｅ－０１１ ！［ｓ］矩阵 Ｄ３３项 ＴＢＤＡＴＡ，１６，３．１４Ｅ－０１１ ！［ｓ］矩阵 Ｄ４４项 ＴＢＤＡＴＡ，１９，３．１９Ｅ－０１１ ！［ｓ］矩阵 Ｄ５５项 ＴＢＤＡＴＡ，２１，３．１９Ｅ－０１１ ！［ｓ］矩阵 Ｄ６６项 ＭＰ，ＰＥＲＸ，２，１．１４２Ｅ－００８ ！＊定义介电常数矩阵 ！Ｘ 介电常数 ＭＰ，ＰＥＲＹ，２，１．１４２Ｅ－００８ ！Ｙ 介电常数 ＭＰ，ＰＥＲＺ，２，８．８５Ｅ－００９ ！Ｚ 介电常数 上述 ＡＰＤＬ命令流只适用于材料编号为２的ＰＺＴ－８；如果ＰＺＴ－８的材料编号设定为３，则需要调整有 关材料编号的命令，将相应命令中的材料编号由２改为３。因此 ＡＰＤＬ法需要根据 ＰＺＴ－８的编号对命令 流进行相应调整。 ３ 数据文件调用法 和 ＡＰＤＬ法相比，数据文件调用法只需用 ＡＰＤＬ 命令流调用定义了 ＰＺＴ－８材料参数的数据文件即 可完成 ＰＺＴ－８材料参数的定义，无需根据 ＰＺＴ－８的编号对数据文件进行相应调整，输入效率更高。 ３．１ 制作数据文件 首先建立一个ＰＺＴ－８．ｔｘｔ文件，然后根据ＰＺＴ－８的材料参数，在文件里写入下列 ＡＮＳＹＳ二次开发命 令流［６］： ／ＣＯＭ，ＩｎｔｅｒｎａｌＵＮＩＴＳｓｅｔａｔｆｉｌｅｃｒｅａｔｉｏｎｔｉｍｅ＝ ＳＩ（ＭＫＳ） ！文件内容采用ＳＩ单位制 ！＊Ｒ５．０为数据文件中二次开发命令的格式；＿ＭＡＴＬ指文件当前定义的材料 ＴＢＤＥＬ，ＡＬＬ，＿ＭＡＴＬ ！删除材料数据表，为新定义的材料数据表做准备 ＭＰＤＥＬ，ＡＬＬ，＿ＭＡＴＬ ！删除材料特性，为新定义的材料特性做准备 ＭＰＴＥＭＰ，Ｒ５．０，１，１，０， ！＊定义材料密度（定义温度） ＭＰＤＡＴＡ，Ｒ５．０，１，ＤＥＮＳ，＿ＭＡＴＬ，１，７６００， ！＊密度定义完毕 ＴＢ，ＰＩＥＺ，＿ＭＡＴＬ，，，１ ！＊定义压电常数矩阵 ！选择［ｄ］矩阵形式 ＴＢＤＡＴＡ，１，０，０，－９Ｅ－０１１ ＴＢＤＡＴＡ，４，０，０，－９Ｅ－０１１ ＴＢＤＡＴＡ，７，０，０，２．２５Ｅ－０１０ ＴＢＤＡＴＡ，１０，０，０，０ ＴＢＤＡＴＡ，１３，０，３．３Ｅ－０１０，０ ＴＢＤＡＴＡ，１６，３．３Ｅ－０１０，０，０ ！＊［ｄ］矩阵定义完毕 ＴＢ，ＡＮＥＬ，＿ＭＡＴＬ，１，，１ ！＊定义柔度常数矩阵 ！选择柔度形式［ｓ］矩阵 ＴＢＴＥＭＰ，０，１ ！定义温度 ＴＢＤＡＴＡ，１，１．１５Ｅ－０１１，－３．７Ｅ－０１２，－４．８Ｅ－０１２ ＴＢＤＡＴＡ，４，０，０，０ ＴＢＤＡＴＡ，７，１．１５Ｅ－０１１，－４．８Ｅ－０１２，０ ＴＢＤＡＴＡ，１０，０，０，１．３５Ｅ－０１１ ＴＢＤＡＴＡ，１３，０，０，０ ＴＢＤＡＴＡ，１６，３．１４Ｅ－０１１，０，０ ＴＢＤＡＴＡ，１９，３．１９Ｅ－０１１，０，３．１９Ｅ－０１１ ！＊［ｓ］矩阵 ！定义完毕 ＭＰＴＥＭＰ，Ｒ５．０，１，１，０．０， ！＊定义介电常数矩阵 ！定义温度 ＭＰＤＡＴＡ，Ｒ５．０，１，ＰＥＲＸ，＿ＭＡＴＬ，１，１．１４２Ｅ－００８， ！ｘ介电常数 ＭＰＴＥＭＰ，Ｒ５．０，１，１，０．０， ！定义温度 ＭＰＤＡＴＡ，Ｒ５．０，１，ＰＥＲＹ，＿ＭＡＴＬ，１，１．１４２Ｅ－００８， ！ｙ介电常数 ＭＰＴＥＭＰ，Ｒ５．０，１，１，０．０， ！定义温度 ＭＰＤＡＴＡ，Ｒ５．０，１，ＰＥＲＺ，＿ＭＡＴＬ，１，８．８５Ｅ－００９， ！ｚ介电常数（＊介电常数矩阵定义完毕） 写入上述命令流并保存为 ＰＺＴ－８．ｔｘｔ文件，然后将 ＰＺＴ－８．ｔｘｔ文件的后缀名改为ＳＩ＿ＭＰＬ，并保存为 ＰＺＴ－８．ＳＩ＿ＭＰＬ文件，ＰＺＴ－８的数据文件就做好了。 ３．２ 调用数据文件 任选计算机硬盘的一个分区建立 ＡＮＳＹＳ材料库，例如在 Ｆ 盘建立文件夹 ｍａｔｅｒｉａｌ，将文件 ＰＺＴ－８． ３６
第4期 陈乾伟，等：PZT压电材料参数在ANSYS中的定义方法 37 SI_MPL放入文件夹F:\material。.运行以下命令流就可调用此文件并完成PZT-8材料参数的定义： /PREP7 !进入前处理器 MPREAD,PZT-8',‘SI_MPL',‘F:material'!调用 MAT.3. !设定压电陶瓷的材料编号为3 !文件PZT-8.SMPL,完成材料属性定义 上述APDL命令流定义的PZT-8的材料编号为3，如果想将PZT-8的材料编号定义为4，只需要将命 令“MAT,3,”改为“MAT,4,”,无需对数据文件进行修改。 4结语 本文以PZT-8为例，详细讲述了PZT材料参数在ANSYS中的三种定义方法：GUI图形界面法、AP DL法和数据文件调用法。其中GUI图形界面法需要重复输入材料参数，因此输入效率最低，一般只有初 学者采用这种方法：APDL法需要根据PZT的编号对命令流进行相应调整，因此输入效率其次；数据文件 调用法只需用APDL命令流调用定义了PZT材料参数的数据文件即可完成PZT的定义，无需对数据文 件进行调整，因此输入效率最高。 参考文献： [1]张福学.现代压电学（中册）[M].北京：科学出版社，2001：128-16 [2]赵淳生.超生电机技术与应用[M].北京：科学出版社，2010 [3]罗平，张铁民，金鑫.压电陶瓷参数数据的转换原理及ANSYS分析时其输入方法[C]//中国农业工程学会.2007年学 术年会论文集.北京：农业科学技术出版社，2007：1一5 [4]李红翔.富士压电陶瓷材料介绍[EB/OL].(2015-09-21)[2018-10-05].http:/www.ndttech..net/piezo-sensors/ pzt/piezo-elements-for-ultrasonic-motor.html [5]Deangelis D A.Schulze G W.Performance of PZT8 versus PZT4 piezoceramic materials in ultrasonic transducers[J]. Physics Procedia,2016.87:85-92 [6]师访.ANSYS二次开发及应用实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2012：142-159 (责任编辑：谭彩霞) 本刊“工程技术”栏目稿约 《金陵科技学院学报》是国内外公开发行的自然科学学报，曾获得“中国高校特色科技期 刊”称号，是江苏省一级刊物，季刊，每逢季末出版，本刊的“工程技术”栏目是创刊以来的固定 栏目。 本校正在创建南京软件科技大学，特长期向校内外征集以下学科的文章：软件工程、计算 机科学与技术、电子科学与技术、信息与通信工程、控制科学与工程等。另外本栏目也包含建 筑学、土木工程、机械工程、材料科学与工程等学科。本栏目学术性和专业性较强，优先发表 省部级以上基金项目的阶段性成果，按质择稿，优稿优酬。欢迎广大作者踊跃投稿，我们将提 供高效优质的服务，快速审稿，来稿必复。 《金陵科技学院学报》编辑部 ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第４期 陈乾伟，等：ＰＺＴ压电材料参数在 ＡＮＳＹＳ中的定义方法 ＳＩ＿ＭＰＬ放入文件夹 Ｆ：＼ｍａｔｅｒｉａｌ。运行以下命令流就可调用此文件并完成 ＰＺＴ－８材料参数的定义： ／ＰＲＥＰ７ ！进入前处理器 ＭＡＴ，３， ！设定压电陶瓷的材料编号为３ ＭＰＲＥＡＤ，‘ＰＺＴ－８’，‘ＳＩ＿ＭＰＬ’，‘Ｆ：＼ｍａｔｅｒｉａｌ’ ！调用 ！文件 ＰＺＴ－８．ＳＩ＿ＭＰＬ，完成材料属性定义 上述 ＡＰＤＬ命令流定义的ＰＺＴ－８的材料编号为３，如果想将ＰＺＴ－８的材料编号定义为４，只需要将命 令“ＭＡＴ，３，”改为“ＭＡＴ，４，”，无需对数据文件进行修改。 ４ 结 语 本文以 ＰＺＴ－８为例，详细讲述了 ＰＺＴ 材料参数在 ＡＮＳＹＳ中的三种定义方法：ＧＵＩ图形界面法、ＡＰ－ ＤＬ法和数据文件调用法。其中 ＧＵＩ图形界面法需要重复输入材料参数，因此输入效率最低，一般只有初 学者采用这种方法；ＡＰＤＬ法需要根据 ＰＺＴ 的编号对命令流进行相应调整，因此输入效率其次；数据文件 调用法只需用 ＡＰＤＬ命令流调用定义了 ＰＺＴ 材料参数的数据文件即可完成 ＰＺＴ 的定义，无需对数据文 件进行调整，因此输入效率最高。 参考文献： ［１］张福学．现代压电学（中册）［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１：１２８－１６１ ［２］赵淳生．超生电机技术与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１０ ［３］罗平，张铁民，金鑫．压电陶瓷参数数据的转换原理及 ＡＮＳＹＳ分析时其输入方法［Ｃ］／／中国农业工程学会．２００７ 年学 术年会论文集．北京：农业科学技术出版社，２００７：１－５ ［４］李红翔．富士压电陶瓷材料介绍［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１５－０９－２１）［２０１８－１０－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｄｔｔｅｃｈ．ｎｅｔ／ｐｉｅｚｏ－ｓｅｎｓｏｒｓ／ ｐｚｔ／ｐｉｅｚｏ－ｅｌｅｍｅｎｔｓ－ｆｏｒ－ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ－ｍｏｔｏｒ．ｈｔｍｌ ［５］ＤｅａｎｇｅｌｉｓＤＡ，ＳｃｈｕｌｚｅＧ Ｗ．ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＺＴ８ｖｅｒｓｕｓＰＺＴ４ｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｊ］． ＰｈｙｓｉｃｓＰｒｏｃｅｄｉａ，２０１６，８７：８５－９２ ［６］师访．ＡＮＳＹＳ二次开发及应用实例详解［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２０１２：１４２－１５９ （责任编辑：谭彩霞 櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷 櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷 櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷 櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷櫷 毻 毻 毻 毻 ） 本刊“工程技术”栏目稿约 《金陵科技学院学报》是国内外公开发行的自然科学学报，曾获得“中国高校特色科技期 刊”称号，是江苏省一级刊物，季刊，每逢季末出版，本刊的“工程技术”栏目是创刊以来的固定 栏目。 本校正在创建南京软件科技大学，特长期向校内外征集以下学科的文章：软件工程、计算 机科学与技术、电子科学与技术、信息与通信工程、控制科学与工程等。另外本栏目也包含建 筑学、土木工程、机械工程、材料科学与工程等学科。本栏目学术性和专业性较强，优先发表 省部级以上基金项目的阶段性成果，按质择稿，优稿优酬。欢迎广大作者踊跃投稿，我们将提 供高效优质的服务，快速审稿，来稿必复。 《金陵科技学院学报》编辑部 ３７
