基于有限元的壓電風扇建模與仿真分析

郭修宇 王海峰 李海寧 王世龍 王樂生 李蒙

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

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

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和進步，各種電子設(shè)備的性能飛速提高，溫度的細微變化會影響微電子器件性能，微電子器件的散熱問題受到廣泛關(guān)注。近年來，針對壓電風扇的流動特征和對流換熱效應(yīng)，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)做出了一定的成果。Y.H.Kim等人[1]使用粒子成像測速儀研究了壓電材料激勵懸臂板振動，在一階固有頻率時的流場旋渦特性，并進行實驗驗證;A.Ihara等人[2]以雙壓電膜片進行實驗，表明兩膜片間距對反向振動膜片的下游流動影響較大，而對同向振動的激勵流場影響較小;J.H.Yoo等人[3]通過實驗得到振動薄片的最優(yōu)制作材料及最優(yōu)尺寸，并研究了振動薄片振幅和風速之間的關(guān)系;M.Kimber等人[4-5]通過實驗，采用不同的材料制成振動薄片，并對比兩種不同材料制成的振動薄片以不同的振幅振動產(chǎn)生流場的壓強和流量;T.Acikalin等人[6-7]驗證了多種變量對壓電風扇散熱性能的影響。上述成果說明了壓電風扇周圍流場的復雜特性，為了進行更加深入的研究，本文基于ANSYS分析軟件[8]，通過改變壓電風扇的參數(shù)[9-10]，對壓電風扇激勵振動薄片的振動規(guī)律進行研究。該研究為進一步研究壓電風扇的不同結(jié)構(gòu)尺寸和擺放位置對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)會激勵振動薄片不斷地往復振動，進而產(chǎn)生散熱效果。壓電風扇示意圖如圖1所示。為簡化模型，可將壓電風扇振動簡化為二維模型，并刪除驅(qū)動器結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的多余部分。壓電風扇振動簡化模型如圖2所示，振動薄片自由端的振動幅值為A，整個振動薄片的總長為L。

2 壓電風扇機械特性分析

模態(tài)分析的目的是分析結(jié)構(gòu)在無外力作用下的振動行為，包括自然振動頻率和該頻率下的振動形狀，通過模態(tài)分析可以了解元件在什么頻率下產(chǎn)生共振[17]。本文以矩形壓電風扇為例，在不改變原有壓電風扇其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，通過改變振動薄片的長度，研究并確定其受壓電致動器驅(qū)動后的振動行為。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，振動薄片的厚度為0.5 mm，設(shè)置振動薄片的長度L分別為60，70，80，90，100 mm，研究和分析PZT壓電片驅(qū)動振動薄片的振動行為[18-19]。當振動薄片L=80 mm時，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1 mm，壓電風扇網(wǎng)格劃分如圖3所示，其它長度尺寸振動薄片的網(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壓電片正負極短路電壓V=0。通過仿真模擬，得到不同長度的振動薄片在不同階數(shù)下的振動行為。由于當處在2階和3階模態(tài)振動時，壓電風扇的整體變形量比較大，對風扇的整體結(jié)構(gòu)損壞也比較大，所以本文只給出1階模態(tài)條件下的壓電風扇振動行為。不同尺寸壓電風扇的振動行為如圖4所示。

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

在不同階數(shù)振動下，壓電風扇的振動頻率隨著振動薄片長度的變化而變化[20]，壓電風扇的振動頻率如圖5所示。

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

3 結(jié)束語

本文基于有限元ANSYS Workbench仿真軟件，研究了壓電風扇的振動薄片在不同長度尺寸和不同階數(shù)條件下壓電風扇的振動行為，表明了壓電風扇激勵振動薄片的振動規(guī)律。針對特定的壓電風冷環(huán)境，未來可以探討壓電風扇的不同結(jié)構(gòu)尺寸和擺放位置對散熱效果的影響，改變各種不同的參數(shù)以獲得最佳的散熱效果，還可通過更多的實驗研究來驗證仿真結(jié)果的準確性。

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