基于有限元的壓電風(fēng)扇建模與仿真分析

郭修宇 王海峰 李海寧 王世龍 王樂(lè)生 李蒙

摘要：為深入研究壓電風(fēng)扇的物理特征，本文采用ANSYS Workbench，建立壓電風(fēng)扇的簡(jiǎn)化模型，并對(duì)壓電風(fēng)扇的多種參數(shù)變化進(jìn)行模擬仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電風(fēng)扇機(jī)械特性的模態(tài)分析。仿真結(jié)果表明，保持壓電風(fēng)扇其它參數(shù)不變，振動(dòng)薄片在一階模態(tài)下振動(dòng)，其最大的振幅隨著振動(dòng)薄片長(zhǎng)度的增加而減小，壓電風(fēng)扇的最大振幅均出現(xiàn)在振動(dòng)薄片的自由端，而且振動(dòng)薄片的振動(dòng)行為會(huì)隨著振動(dòng)階數(shù)的增加而增加;隨著振動(dòng)薄片長(zhǎng)度的增加，壓電風(fēng)扇的振動(dòng)頻率在不同階數(shù)的振動(dòng)下均減小;相同長(zhǎng)度的振動(dòng)薄片，在前三階模態(tài)時(shí)，壓電風(fēng)扇的振動(dòng)頻率隨著階數(shù)的增加而增大。該研究揭示了壓電風(fēng)扇激勵(lì)振動(dòng)薄片的振動(dòng)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：逆壓電效應(yīng); 壓電風(fēng)扇; ANSYS Workbench; 模態(tài)分析

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，各種電子設(shè)備的性能飛速提高，溫度的細(xì)微變化會(huì)影響微電子器件性能，微電子器件的散熱問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。近年來(lái)，針對(duì)壓電風(fēng)扇的流動(dòng)特征和對(duì)流換熱效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)做出了一定的成果。Y.H.Kim等人[1]使用粒子成像測(cè)速儀研究了壓電材料激勵(lì)懸臂板振動(dòng)，在一階固有頻率時(shí)的流場(chǎng)旋渦特性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;A.Ihara等人[2]以雙壓電膜片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表明兩膜片間距對(duì)反向振動(dòng)膜片的下游流動(dòng)影響較大，而對(duì)同向振動(dòng)的激勵(lì)流場(chǎng)影響較小;J.H.Yoo等人[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到振動(dòng)薄片的最優(yōu)制作材料及最優(yōu)尺寸，并研究了振動(dòng)薄片振幅和風(fēng)速之間的關(guān)系;M.Kimber等人[4-5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，采用不同的材料制成振動(dòng)薄片，并對(duì)比兩種不同材料制成的振動(dòng)薄片以不同的振幅振動(dòng)產(chǎn)生流場(chǎng)的壓強(qiáng)和流量;T.Acikalin等人[6-7]驗(yàn)證了多種變量對(duì)壓電風(fēng)扇散熱性能的影響。上述成果說(shuō)明了壓電風(fēng)扇周圍流場(chǎng)的復(fù)雜特性，為了進(jìn)行更加深入的研究，本文基于ANSYS分析軟件[8]，通過(guò)改變壓電風(fēng)扇的參數(shù)[9-10]，對(duì)壓電風(fēng)扇激勵(lì)振動(dòng)薄片的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。該研究為進(jìn)一步研究壓電風(fēng)扇的不同結(jié)構(gòu)尺寸和擺放位置對(duì)散熱效果的影響提供了參考依據(jù)。

1 數(shù)值建模與理論分析

壓電風(fēng)扇常用作微電子器件的散熱裝置[11-13]。在壓電材料上施加交變電流，由于其逆壓電效應(yīng)會(huì)激勵(lì)振動(dòng)薄片不斷地往復(fù)振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生散熱效果。壓電風(fēng)扇示意圖如圖1所示。為簡(jiǎn)化模型，可將壓電風(fēng)扇振動(dòng)簡(jiǎn)化為二維模型，并刪除驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的多余部分。壓電風(fēng)扇振動(dòng)簡(jiǎn)化模型如圖2所示，振動(dòng)薄片自由端的振動(dòng)幅值為A，整個(gè)振動(dòng)薄片的總長(zhǎng)為L(zhǎng)。

2 壓電風(fēng)扇機(jī)械特性分析

模態(tài)分析的目的是分析結(jié)構(gòu)在無(wú)外力作用下的振動(dòng)行為，包括自然振動(dòng)頻率和該頻率下的振動(dòng)形狀，通過(guò)模態(tài)分析可以了解元件在什么頻率下產(chǎn)生共振[17]。本文以矩形壓電風(fēng)扇為例，在不改變?cè)袎弘婏L(fēng)扇其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，通過(guò)改變振動(dòng)薄片的長(zhǎng)度，研究并確定其受壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后的振動(dòng)行為。鋯鈦酸鉛（piezoelectric ceramic transducer，PZT）壓電片的尺寸參數(shù)為20 mm×15 mm×0.6 mm，振動(dòng)薄片的厚度為0.5 mm，設(shè)置振動(dòng)薄片的長(zhǎng)度L分別為60，70，80，90，100 mm，研究和分析PZT壓電片驅(qū)動(dòng)振動(dòng)薄片的振動(dòng)行為[18-19]。當(dāng)振動(dòng)薄片L=80 mm時(shí)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1 mm，壓電風(fēng)扇網(wǎng)格劃分如圖3所示，其它長(zhǎng)度尺寸振動(dòng)薄片的網(wǎng)格劃分與圖3類似。

在模態(tài)分析中，設(shè)置PZT壓電片與振動(dòng)薄片接觸的一側(cè)電壓為0，在PZT壓電片的固定端，添加的位移邊界約束條件為Ux=0，Uy=0，Uz=0，且PZT壓電片正負(fù)極短路電壓V=0。通過(guò)仿真模擬，得到不同長(zhǎng)度的振動(dòng)薄片在不同階數(shù)下的振動(dòng)行為。由于當(dāng)處在2階和3階模態(tài)振動(dòng)時(shí)，壓電風(fēng)扇的整體變形量比較大，對(duì)風(fēng)扇的整體結(jié)構(gòu)損壞也比較大，所以本文只給出1階模態(tài)條件下的壓電風(fēng)扇振動(dòng)行為。不同尺寸壓電風(fēng)扇的振動(dòng)行為如圖4所示。

由圖4可以看出，壓電風(fēng)扇在一階模態(tài)振動(dòng)下，其最大振幅隨著振動(dòng)薄片長(zhǎng)度的增加而減小，而且壓電風(fēng)扇的最大振幅均出現(xiàn)在振動(dòng)薄片的自由端。

在不同階數(shù)振動(dòng)下，壓電風(fēng)扇的振動(dòng)頻率隨著振動(dòng)薄片長(zhǎng)度的變化而變化[20]，壓電風(fēng)扇的振動(dòng)頻率如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著振動(dòng)薄片長(zhǎng)度的增加，壓電風(fēng)扇的振動(dòng)頻率逐漸減小;而且相同長(zhǎng)度的振動(dòng)薄片，在前3階模態(tài)時(shí)，隨著階數(shù)的增加，壓電風(fēng)扇的振動(dòng)頻率隨之增大。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于有限元ANSYS Workbench仿真軟件，研究了壓電風(fēng)扇的振動(dòng)薄片在不同長(zhǎng)度尺寸和不同階數(shù)條件下壓電風(fēng)扇的振動(dòng)行為，表明了壓電風(fēng)扇激勵(lì)振動(dòng)薄片的振動(dòng)規(guī)律。針對(duì)特定的壓電風(fēng)冷環(huán)境，未來(lái)可以探討壓電風(fēng)扇的不同結(jié)構(gòu)尺寸和擺放位置對(duì)散熱效果的影響，改變各種不同的參數(shù)以獲得最佳的散熱效果，還可通過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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