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］