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Gut zu wissen: Hilfreiche Tipps und Tricks aus der Praxis prägnant, und auf den Punkt gebracht für Ansys
Autor Thema:  Piezogetriebener Ultraschallschwinger (3110 mal gelesen)
hoizworm
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erstellt am: 22. Apr. 2009 16:54    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Hallo Ansys-Experten,

Ich muss im Rahmen meiner Diplomarbeit eine FEM-Simulation eines Piezogetriebenen Ultraschallschwingers erstellen. Ziel ist einen Frequenzgang des Schwingers zu erhalten (Spannung über Amplitude wenn mögl.). Die Simulation soll dann mit einem gemessenen Schwinger verglichen und angepasst werden. Nun tauchen da bei mir einige grundsätzliche Fragen auf:

* eine Modal-Analyse hat eine um ca. 2kHz zu geringe Frequenz ergeben. Ist es sinvoll, praktikabel, zulässig... den Schwinger durch Ändern des E-Moduls (von Titan) auf die richtige Frequenz zu tunen bzw. zu stimmen. Ein Kollege meint das wäre eine pragmatische Lsg. ein anderer sagt dass das oft gemacht wird, aber nicht wirklich sinnvoll ist, und ich habe ein ganz ungutes Gefühl dabei.

* Die Piezo sind zwischen 2 Massen, die ineinander geschraubt werden, eingespannt. Obiger Kollege meinte es wäre sinnvoller die beiden Massen einteilig zu simulieren, und keine Vorspannung zu berücksichtigen, sondern eben mit E-modul spielen.

* Wie bringe ich am einfachsten eine hochfrequente (ca. 30kHz) Wechselspannung auf meine coupled-DOF Elekroden auf (Load-Steps?)

Ich bin echt bald am Verzweifeln. Ich hoffe ich bekomme hier eine schnellere Antwort als beim Ansys-Support.

Danke für Eure Bemühungen!!!

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ChristophN
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erstellt am: 22. Apr. 2009 19:34    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für hoizworm 10 Unities + Antwort hilfreich

Hey,
über was für eine Frequenz reden wir denn, also sind 2kHz eine prozentual hohe Abweichung? E-Modul anpassen klingt komisch, finde ich zumindest. Kannst du eine Skizze des Teils und deines Modells schicken? Meiner Meinung nach sollte so eine "Anpassung" wirklich das letzte Mittel sein, sowas will man ja auch nicht unbedingt in seine Diplomarbeit schreiben, oder? Ich würde erstmal versuchen, das Modell realitätsnaher zu erstellen, wenn das nichts bringt oder der Aufwand zu groß wird, kann man sich immernoch etwas anderes überlegen.

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hoizworm
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erstellt am: 23. Apr. 2009 12:49    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


SchwingerEinfachAnsys.txt

 
Hallo ChristophN,

Danke fürs schnelle Antworten!!! Super!

Also: Bei einer Simulation in AnsysWB war ich um 2kHz drunter unter dem Soll von 28kHz, also immerhin 7%. Das sollte ich eben anpassen. Mir widerstrebt es auch den E-Modul zu ändern!!! Hab auch grad vom Ansys-Support die Aussage erhalten dass das PFUI ist, weil eben das Materialverhalten geämdert wird.

Im Anhang ist der vereinfachte Schwinger als *.txt-Datei zum Reinkopieren in die Befehlszeile. Ist auch schon mit einer statischen Analyse. Vielleicht kann ja wer was damit anfangen.

Danke schonmal

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ChristophN
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erstellt am: 23. Apr. 2009 14:13    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für hoizworm 10 Unities + Antwort hilfreich

Hm, sieht etwas komisch aus, hast du dir mal das Ergebnis der statischen Lösung angeschaut? Ganz schön hohe Spannungen... Ausserdem fehlt vor dem solve- Kommando noch ein sbctran, sonst nimmt er die Drücke nicht mit ins FE-Modell. Und die Axialsymmetrie musst du ihm nicht nochmal sagen, das Element ist axialsymmetrisch eingestellt.
Also für mich nochmal: Keramikschichten werden mit einem Potential beaufschlagt und dehnen sich dadurch aus!? Die beiden Massen sind die großen Flächen? Eine Skizze wäre vielleicht sehr hilfreich...
Eine Frage noch: die Modalanalyse, die du gemacht hast, kannst du die nochmal mitschicken? Oder mir sagen, was du da genau als RBen und so eingegeben hast?

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hoizworm
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SchwingerAnsichtmitBeschriftung.JPG

 
Hallo ChristophN,

Der Code ist für ein stark vereinfachtes Modell. Im Bild hab ich das Originalteil. Die untere Masse ist als Schraube ausgebildet und wird in die obere Masse eingeschraubt (im vereinfachten Sim.-Modell der überlappende Bereich der beiden großen Flächen). Das System wird vorgespannt, damit die Piezos keine Zugbelastung abbekommen. Gelagert wird der Schwinger an dem Flansch (siehe Bild).
Wegen des Ergebnisses: ich habe (wenn ich mich nicht mit den SI-Einheiten vertue) eine von-Mises-Spannung von ca. 106 kPa = 106e3 N/m² in meiner Simulation. Ti6Al4V verträgt 1 GPa (laut Wikipedia).
Die Piezos werden mit einer Wechselspannung von 230 V / ca. 28-30 kHz beaufschlagt (wie kann ich das Simulieren). Es soll eigentlich die longitudinale Schwingung simuliert werden, um die Materialspannung in den Schwingungsknoten zu erhalten.
Nochmal zu den Einheiten (zur Sicherheit): Ansys verwendet keine Einheiten was also einer Verwendung von SI-Einheiten (m - kg - s - A - K)entspricht, oder?

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ChristophN
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erstellt am: 23. Apr. 2009 16:55    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für hoizworm 10 Unities + Antwort hilfreich

Das Modell ist mir jetzt klar, aber die Modalanalyse nicht so ganz. Ist ja auch egal, denn wenn du wirklich am Ende auf den Frequenzgang scharf bist, musst du das meiner Meinung nach sowieso transient berechnen. Soll heißen, du beachtest erst die Vorspannung, ohne die Piezoelemente irgendwie mit einem Potential zu beaufschlagen (im Prinzip das "virtuelle Einschrauben"), also eine statische Rechnung. Dann lässt du die Drücke bestehen und startest von da an eine transiente Berechnung, indem du den sinusförmigen Verlauf deiner Wechselspannung auf die Piezoelemente aufbringst [in Abhängigkeit von der Zeit eben ein bestimmter Wert, also Amplitude * sin(Omega*t)]. Ich würde das über Schleifen machen, GANZ grob so:

*do, t, 0, endzeit, zeitschritt
    nsel,...
    d,all,volt, Amplitude*sin(omega*t)
    solve
*enddo

Du musst noch entweder Singleframe Restart einstellen oder das ganze über Loadstep-files machen (lswrite statt solve). Den Zeitschritt solltest du so wählen, dass eine Periode deiner Sinusschwingung durch 20 Zeitschritte abgebildet wird. Hoffe das hilft ein wenig.
Christoph

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hoizworm
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Ja das bringt mich auf alle Fälle weiter denke ich. Muss noch schaun wie es im einzelnen mit den LOADS ausschaut. DANKE auf alle Fälle.

Aber ich hab auch gleich wieder 2 Fragen:

1. Kann ich in Ansys für die Loads beliebige Formeln eingeben?
2. Muss ich für das Assembly irgendwelche Kontaktelemente verwenden oder reicht es wenn ich aglue an den richtigen stellen verwende?

Nochmal Danke Christoph!!

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ChristophN
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erstellt am: 23. Apr. 2009 18:22    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für hoizworm 10 Unities + Antwort hilfreich

Zitat:
Original erstellt von hoizworm:
Muss ich für das Assembly irgendwelche Kontaktelemente verwenden oder reicht es wenn ich aglue an den richtigen stellen verwende?

Kommt darauf an, du meinst ja sicherlich die beiden Massen, oder? Die sind ja miteinander verschraubt, da musst du dir mal überlegen, was am günstigsten ist. Ich denke mit aglue ists schon ganz okay, nur die Spannungen in diesem Bereich sind dann sicherlich nicht unbedingt zuverlässig. Wenn du Kontakte definierst, wird dein System ja automatisch nichtlinear und das treibt die Rechenzeit in die Höhe. Da du aber viele Lastschritte bei der transienten Berechnung rechnen musst, wäre es wohl besser ohne.

Ganz beliebige Formeln gehen nicht, die sind in ihrer Länge beschränkt. Wenn deine Formel zu lang ist (ANSYS sagt dir das mit einem Error), dann musst du sie eben teilen, ungefähr so:
anstelle von
d, all, volt, 123*wasweissich + 3
schreibst du
load = 123*wasweissich
load = load + 3
d, all, volt, load.

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hoizworm
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erstellt am: 24. Apr. 2009 12:42    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Danke vorerst Christoph!!! Das probier ich alles aus.

Kleine Anekdote zu den Einheiten:
Amanfang habe ich einen 83,4 m großen Schwinger aus Titan "gebaut".

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hoizworm
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erstellt am: 10. Mai. 2009 14:05    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Hallo Zusammen,

Also ich habe inzwischen das Model so erstellt, dass ich eine linear simulieren kann, und dann eine Harmonic Analysis durchgeführt (das dürfte für meine Zwecke genügen). Die transiente Analyse habe ich einmal zum laufen gebracht, sie ist aber dann angehalten worden wegen mangelndem Speicherplatz. Bei Gelegenheit werde ich das aber nochmal versuchen (danke Christoph).
Ich habe jetzt nur eine Frage bezüglich der loads: Wenn ich eine Spannung von beispielsweise 100V an einen Knoten anlege, wird diese Spannung dann als Gleichspannung aufgbracht, oder werden die loads sinus förmig harmonisch) aufgebracht? Und was muss ich machen, damit die Spannung +/-100V sinusförmig ist.

Danke Philipp!

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Achim007
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Workbench 2.0
ANSYS15.0 Mechanical
DesignModeler

erstellt am: 10. Mai. 2009 19:13    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für hoizworm 10 Unities + Antwort hilfreich

bei der harmonischen Analyse werden alle Lasten (auch Temperatur!) periodisch aufgebracht!

------------------

Viele Grüße
Achim

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hoizworm
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erstellt am: 19. Mai. 2009 15:14    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Hallo zusammen,

Ich habe inzwischen den Schwinger erfolgreich simuliert. Jetzt habe ich nur folgendes Problem:
Ich habe einen Frequenzgang vom realen Schwinger aufgenommen, und möchte nun den Frequenzgang (aus einer harmonic analysis) meines Simulationsmodells an den gemessenen anpassen. Was gibt es da für Möglichkeiten? Macht es Sinn, oder ist es überhaupt zulässig, die Eigenfrequenz über den E-Modul anzupassen. Ich bin am Schluß an den mechanischen Spannungen interesiert.

Danke. Schönen Gruß

Philipp

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