[Zusammenfassung] Dieser Artikel stellt die Architektur, die wichtigsten Analysefunktionen und die Anwendung der Finite-Elemente-Software ANSYS im Bereich der Ultraschallmotorenentwicklung vor. 1 Einleitung ANSYS ist eine umfassende, universelle Finite-Elemente-Software, die Struktur-, Strömungs-, elektromagnetische, akustische und gekoppelte Feldanalysen integriert. Sie verfügt über leistungsstarke Funktionen für die Finite-Elemente-Analyse und die Optimierung von Konstruktionen. ANSYS lässt sich mit den meisten CAD-Programmen verbinden, um Datenaustausch zu ermöglichen. Die von ANSYS bereitgestellte Programmiersprache APDL erlaubt es Anwendern, auf ANSYS basierende Weiterentwicklungen durchzuführen und macht ANSYS so zu einem leistungsstarken Berechnungswerkzeug. Die Berechnungsergebnisse bilden eine zuverlässige Grundlage für die Konstruktion und Leistungsanalyse verschiedener Industrieprodukte. In der Entwicklung und Forschung von Ultraschallmotoren wird ANSYS von vielen Forschern bevorzugt und findet breite Anwendung in der Modalanalyse und Optimierung von Ultraschallmotoroszillatoren. 2 Wichtigste Analysefunktionen von ANSYS Zu den Hauptfunktionen von ANSYS gehören statische, dynamische, thermodynamische, Strömungs- und gekoppelte Feldanalysen sowie die Strukturoptimierung. Wenn Trägheit und Dämpfung nur geringen Einfluss auf die Struktur haben, kann die statische Analyse zur Berechnung von Verschiebungen, Spannungen, Dehnungen und Kräften unter stationären äußeren Lasten eingesetzt werden. Nichtlineare Eigenschaften der Struktur, wie z. B. große Verformungen, große Dehnungen, Spannungsversteifung, Kontakt, Plastizität, Hyperelastizität und Kriechen, können ebenfalls berücksichtigt werden. Die dynamische Analyse umfasst Modalanalyse, Spektralanalyse, harmonische Antwortanalyse und transiente dynamische Analyse. Sie dient primär der Analyse der Bewegungseigenschaften komplexer Strukturen im Raum und der Bestimmung der resultierenden Spannungen, Dehnungen und Verformungen. Die thermische Analyse umfasst stationäre und transiente thermische Analysen, Phasenübergangsanalysen und thermostrukturelle Kopplungsanalysen. Sie berücksichtigt die drei grundlegenden Arten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Sie berechnet die Temperaturverteilung und Parameter wie Temperaturgradient, Wärmestromdichte und Wärmestromdichte eines Systems oder Bauteils unter thermischer Belastung. Die Strömungsmechanik umfasst die numerische Strömungsmechanik (laminar, turbulent und thermofluid) sowie die Akustikanalyse. Stationäre oder transiente Analysen werden an konvektiv gewichteten Elementen durchgeführt. ANSYS, eine leistungsstarke Software für Strukturanalyse und -optimierung, bietet Multiphysik-Kopplungsfunktionen, die die Durchführung verschiedener Kopplungsberechnungen am selben Modell ermöglichen, wie z. B. thermisch-spannungs-, magnetothermische, magnetostrukturelle, fluidthermische, fluidstrukturelle, thermoelektrische, schaltungsgekoppelte elektromagnetische Feld-, elektromagnetische und piezoelektrische Kopplungsanalysen usw. Durch die Definition von Optimierungsvariablen wie Designvariablen, Zustandsvariablen und Zielfunktionen können die Optimierungswerkzeuge und die parametrische Designsprache (APDL) von ANSYS verwendet werden, um die Abmessungen, Form, Lagerpositionen, Fertigungskosten, Eigenfrequenzen, Materialien usw. des Modells zu optimieren. ANSYS bietet zwei Optimierungsmethoden: die Methode nullter Ordnung und die Methode erster Ordnung. Für beide Methoden bietet ANSYS eine Reihe von Analyse-, Auswertungs- und Korrekturschleifen. 3. Anwendung von ANSYS im Ultraschallmotor-Design Ein Ultraschallmotor nutzt den inversen piezoelektrischen Effekt von piezoelektrischen Keramiken. Unter dem Einfluss eines elektrischen Wechselfeldes dehnen sich piezoelektrische Keramiken aus und ziehen sich zusammen. Dabei wird elektrische Energie durch die Umwandlung und Kopplung verschiedener Ausdehnungs- und Kontraktionsschwingungsmoden direkt in mechanische Schwingungsenergie umgewandelt. Diese Energie wird anschließend durch Reibung in Rotationsenergie (oder andere Bewegungsformen) umgewandelt. Das Prinzip ist in der Abbildung dargestellt. Ultraschallmotoren sind eine neue Art von automatischen Aktuatoren und stellen eine bahnbrechende und leistungsstarke Ergänzung zu herkömmlichen elektromagnetischen Motoren mit vielversprechenden Anwendungsmöglichkeiten dar. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist die am häufigsten verwendete Methode zur Frequenz- und Modalanalyse von Ultraschallmotoren. Ihr Vorteil liegt in ihrer Fähigkeit, sich an komplexe Situationen anzupassen, darunter Kräfte und Randbedingungen am Oszillator, strukturelle Dämpfung sowie Strukturen aus unterschiedlichen Materialien und komplexen Formen. Die ANSYS-Software ermöglicht die Entwicklung von Ultraschallmotoren mittels Finite-Elemente-Analyse, Optimierungsdesign, Zuverlässigkeitsdesign, Bewegungssimulation und modularem Design. Ein Ultraschallmotor ist im Wesentlichen ein Schwingungsmotor, der im Ultraschallfrequenzbereich arbeitet. Unabhängig davon, ob es sich um Wander- oder Stehwellen, rotierende oder lineare Ultraschallmotoren handelt, nutzen alle den inversen piezoelektrischen Effekt piezoelektrischer Keramiken, um den Stator zur Resonanz im Ultraschallbereich (Amplitude im Mikrometerbereich) anzuregen. Durch Reibung zwischen Stator und Rotor bzw. zwischen Stator und Läufer wird diese Resonanzschwingung im Mikrometerbereich in eine gerichtete makroskopische Rotation oder lineare Bewegung des Rotors bzw. Läufers umgewandelt. Daher sind die dynamischen Eigenschaften des Stators (Resonanzfrequenz und Schwingungsform) entscheidend. Die Wahl der optimalen Resonanzfrequenz und Schwingungsform des Ultraschallmotorstators sowie die Auslegung der Form der piezoelektrischen Keramikplatte und ihrer aufgeteilten Polarisationskonfiguration basierend auf dieser Schwingungsform sind die Hauptaufgaben bei der Entwicklung von Ultraschallmotoren. Die Modalanalyse mit ANSYS dient zur Bestimmung der Eigenfrequenzen und Schwingungsformen des Ultraschallmotoroszillators. Die dynamische Gleichung lautet: [M](x(t)) + [K](x(t)) = 0. [M] ist die Massenmatrix, [K] die Steifigkeitsmatrix und (x(t)) der Verschiebungsvektor. Jedes Element in [K] ist mit den Knotenkoordinaten im Strukturmodell verknüpft. Um sicherzustellen, dass [K] die tatsächliche Steifigkeit der Struktur präzise wiedergibt, muss das erstellte Volumenmodell die Geometrie der simulierten Struktur exakt abbilden. Zusätzlich ist ein präzises mechanisches Modell mit externen Lasten und Randbedingungen erforderlich. Die Modalanalyse ermöglicht die Bestimmung der Schwingungsmoden, Resonanzfrequenzen und Schwingungsformen des Ultraschallmotors. Die Differenz zwischen den ermittelten und den erwarteten Ergebnissen erlaubt die Anpassung der Motorabmessungen und der Konstruktion der Halterung und spielt somit eine wichtige Rolle bei der anfänglichen Motorkonstruktion. Nach Abschluss der Modalanalyse und der Konstruktion des Motors kann der Frequenzbereich für die harmonische Antwortanalyse bestimmt und anschließend die Analyse selbst durchgeführt werden. Die harmonische Antwortanalyse ermittelt die Amplitude eines Knotens bei einer bestimmten Frequenz. Diese Amplitude ist ein Absolutwert, im Gegensatz zum Relativwert in der Modalanalyse. Basierend auf den Ergebnissen der harmonischen Antwortanalyse kann die Statorstruktur des Motors verbessert und somit das Motordesign weiter optimiert werden. Mithilfe der leistungsstarken Analyse- und Optimierungsfunktionen der ANSYS-Software haben wir verschiedene lineare Ultraschallmotoren entworfen und deren Bewegungsmechanismen untersucht. Dies bildet eine solide Grundlage für zukünftige Forschung. Referenzen: [1] Wang Guoqiang: Practical Engineering Numerical Simulation Technology and Its Practice on ANSYS [M] Xi'an: Northwestern Polytechnical University Press, 1999 [2] Chen Jingyi. Cai Guozhong, Computergestützte Ingenieuranalyse – ANSYS-Benutzerhandbuch [M] Peking: China Railway Publishing House, 2001. [3] Zhao Chunsheng, Perspektiven der Ultraschallmotorentechnologie im 21. Jahrhundert [J] Vibration, Testing and Diagnosis, 2000 20 (1) [4] Mechanische Schwingungen, Fachbereich Technische Mechanik, Tsinghua-Universität [M] Peking: Maschinenbauverlag, 1980