Пьезоэлектрики в Static Structural

[Pumpov 14]

Добрый день.

 

Столкнулся сначала с проблемой, что не удается без GUI в Ansys 14.0 задавать пьезоэлектрические свойства и нагрузки для расчета в Static Structural.

Посмотрел tutorials на youtube, в том числе за авторством @soklakov, за что спасибо.

Только вот при применении стандартных Commands ничего не происходит, по неясной причине.

Для примера, задаю тело - прямоугольный параллелепипед, делаю Named Selections двух противоположных граней:

Затем, задаю свойства пьезоэлектрика, с учетом того, что у сетки Hex Dominant Method (226):

Выставляю нагрузку:

В результате, в решении, с телом ничего не происходит просто...

Чтобы проверить, я пробовал для примера задать давление:

d, POS, PRES, 10000

ничего так же не произошло, а в Solution Information было написано "An inactive degree of freedom label (PRES) was found on the D command",

"The current degree of freedom set is: UX UY, UZ, VOLT".

 

Кстати, аналогично и про VOLT было ранее написано, вместе с "The current degree of freedom set is: UX UY, UZ". Потом почему-то перестало.

Но все-равно желанного обратного пьезоэффекта в решении не наблюдается.

 

[Pumpov 14]

Сам разобрался, не без того, что вспомнил совет из видеоролика от @soklakov, что лучше выбрать Solver Type "Direct", нежели "Program Controlled", в этом главный ключ оказался.

И надо писать не "mat", или что-то произвольное, а "matid".

Сбило еще то, что сначала, вместо "mat", было "matid", и решение вообще не срабатывало (красная молния). Потом, я заметил, что при замене "matid" на другое слово, решение стало срабатывать, но без какого-либо эффекта, относительно начального состояния. Такая вот короткая сага проб и ошибок.

 

А насчет задания давления - там "sf" нужно, а не "d", я перепутал. В Help написано, что при "d" можно задавать давление PRES во FLOTRAN fluid labels ...

[Pumpov 14]

Еще раз здравствуйте.

Очень прошу помочь тех, кто знаком с пьезоэлектричеством в ANSYS. Вопрос связан с поперечным пьезоэффектом.

Поясню на конкретном простом примере.

Рассматриваю, для начала, тело из изотропного по механической упругости материала. Тело - кубик, для простоты.

Т.к. длины всех его сторон одинаковы, то коэффициент Пуассона связывает не только относительные, но и абсолютные малые деформации по различным измерениям.

Далее. Если между противоположными гранями кубика, по направлению Х, приложить напряжение V_1, то в случае продольного пьезоэффекта:

, .

Так и сработало при моделировании.

А вот с поперечным пьезоэффектом в ANSYS, не могу понять, в чем дело.

Я полагал, что при задании - tbdata,4,"number" - только коэффициента e21, деформации должны быть:

,.

А ANSYS, при этом, выдает следующие характерные деформации:

 

,.

Ожидал, что качественно, с точностью до знаков, получится так:

 

 

[soklakov 1 475]

12 часа назад, Pumpov сказал:

тело из изотропного по механической упругости материала.

допустим, не работает пьезоэффект на изотропных телах. начинайте сразу с ортотропного. просто параметры одинаковые задайте, если очень изотропного хочется. и расскажите,что получилось)

[Pumpov 14]

11 час назад, soklakov сказал:

23 часа назад, Pumpov сказал:

тело из изотропного по механической упругости материала.

допустим, не работает пьезоэффект на изотропных телах. начинайте сразу с ортотропного. просто параметры одинаковые задайте, если очень изотропного хочется. и расскажите,что получилось)

 

Ок! Будем проверять...

[Pumpov 14]

В 05.10.2018 в 21:39, soklakov сказал:

допустим, не работает пьезоэффект на изотропных телах. начинайте сразу с ортотропного. просто параметры одинаковые задайте, если очень изотропного хочется. и расскажите,что получилось)

Заработало! Спасибо большое за подсказку!

Кстати, нужно было ввести еще значения perx, pery, perz. Хотя них, при заданном напряжении между двумя гранями кубика, здесь ничего не зависит.

 

Правильно ли я понимаю, что при задании пьезоэлектрической матрицы e_ij с помощью Commands (если версия 14.0), не нужно никак указывать направление Polarization Axis? В том смысле, что значения e_ij, с учетом знаков, полностью определяют свойства пьезоэлектрика.

Изменено 9 октября 2018 пользователем Pumpov
Дополнение.

[soklakov 1 475]

В 09.10.2018 в 10:26, Pumpov сказал:

Правильно ли я понимаю, что при задании пьезоэлектрической матрицы e_ij с помощью Commands (если версия 14.0), не нужно никак указывать направление Polarization Axis?

так или иначе ось будет. 

[Pumpov 14]

Добрый день ещё раз.

 

Обнаружил  эффект, что расчет прогибов вследствие обратного пьезоэффекта в Static Structural сильно зависит от качества и размера сетки.

 

Для примера:

Берем тонкий диск, делаем Fixed Support боковой поверхности, задаем между верхней и нижней круговыми гранями разность потенциалов, включаем расчет деформации в поперечном направлении.

При грубой сетке, Coarse, получается прогиб в одну сторону, а при достаточно мелкой, Fine, прогиб уже в другую сторону. Это при том, что по толщине диск размельчен достаточно сильно с помощью Edge Size.

Кроме того, если сетка строится несимметрично в плоскости круговой грани, то ANSYS может выдать прогиб в виде "смещенного от центра холма".

Т.е. пьезоанализ такой привередливый? С приложением давления или сил не помню заметных перекосов.

[soklakov 1 475]

@Pumpov , было бы лучше что-то вроде "делаю так - получается одно, делаю эдак - другое. вот проект". ну или хотя бы картинки-графики. и без субъективныхъ оценок "достаточно".

3 часа назад, Pumpov сказал:

Т.е. пьезоанализ такой привередливый?

а в целом - да)

[Mrt23 173]

4 часа назад, Pumpov сказал:

С приложением давления или сил не помню заметных перекосов.

у меня было, я вот недавно только узнал, что стоит "ограничивать" максимальный шаг. бывает "проскакивает", и решение немного по-другому себя ведет.

[Pumpov 14]

16 минут назад, soklakov сказал:

@Pumpov , было бы лучше что-то вроде "делаю так - получается одно, делаю эдак - другое. вот проект". ну или хотя бы картинки-графики.

Конкретнее.

Диск, диаметр 254 мм, толщина 1 мм. Fixed Support на боковой поверхности.

Электрическое напряжение (потенциалы) на всей верхней грани – 1000 В, на всей нижней – 0 В.

e33 – положителен; e13, e23 – отрицательные, примерно в 1.8 раз меньше по модулю; e42, e51 – я так понял, здесь не влияют.

Сетка MultiZone, 8 слоев по толщине Edge Size. Сначала был расчет Coarse, потом – Fine.

Считал с помощью Symmetry, 1/2-ю диска. Хотел сначала 1/4-ть, но из-за краевого эффекта в центре там вообще некрасивый выступ, как Чертов Палец на горе;)

 

Пластина по физике должна выгибаться вниз. Но как объяснить, что при грубой сетке – не просто другие числа, а принципиально неверный результат...

 

3 минуты назад, Mrt23 сказал:

4 часа назад, Pumpov сказал:

С приложением давления или сил не помню заметных перекосов.

у меня было, я вот недавно только узнал, что стоит "ограничивать" максимальный шаг. бывает "проскакивает", и решение немного по-другому себя ведет.

Максимальный шаг - размер ячейки сетки?

[Mrt23 173]

7 минут назад, Pumpov сказал:

Максимальный шаг - размер ячейки сетки?

не могу сказать, я ставлю Т/100 если очень аккуратно нужно приложить нагрузку, либо Т/20, когда все "предсказуемо".

я про нелинейный расчет.

Изменено 15 октября 2018 пользователем Mrt23

[Pumpov 14]

В 15.10.2018 в 16:15, Pumpov сказал:

Пластина по физике должна выгибаться вниз. Но как объяснить, что при грубой сетке – не просто другие числа, а принципиально неверный результат...

 

Похоже, что ошибся. При зажатой боковой поверхности вклада в прогиб не будет от поперечного пьезоэффекта. Только малые прогибы ("мениски" - в противоположные направления по вертикали) от продольного эффекта должны быть. Но, кстати, даже если задать нулевым e33, то ANSYS тем не менее выдает прогибы верхней и нижней круговых граней, причем, в одинаковом направлении, аналогично случаю свободного опирания (только на два порядка меньше величиной).  Численная ошибка?

Изменено 17 октября 2018 пользователем Pumpov

[soklakov 1 475]

В 17.10.2018 в 15:25, Pumpov сказал:

Численная ошибка?

в 95% процентов случаев:

В 17.10.2018 в 15:25, Pumpov сказал:

Похоже, что ошибся.

Виноват пользователь.

[Pumpov 14]

Добрый день. Есть дополнительный вопрос о Piezoelectric Analysis.

Вопрос связан с конвертированием piezoelectric strain matrix [d] в piezoelectric stress matrix [e].

В Help моей версии https://www.sharcnet.ca/Software/Fluent14/help/ans_thry/thy_coup2.html говорится, что можно использовать ввод данных в виде [d], но при этом надо использовать в моем случае, я понял - TB,PIEZ,MATID,,,1 (TBOPT = 1); температура у меня не меняется, я пропускаю NTEMP и NPTS.

 

ANSYS выдает ошибку: An unknown error ocurred during solution. Check the Solver Output on the Solution Information object for possible causes.

 

В Solution Information: No ANEL table exists for material 1. Cannot convert the piezoelectric strain matrix [d] to piezoelectric stress matrix [e].

 

Для определения матрицы [c] предлагают использовать TB,ANEL комманду. Но если я в Engineering Data уже ввел все модули упругости и коэффициенты Пуассона для данного (в моем случае ортотропного) пьезоэлектрика, то разве нужно снова эти данные вводить с помощью TB,ANEL? Последняя команда определяет анизотропные упругие свойства. Или надо ввести все коэффициенты через TB,ANEL так, чтобы получался частный случай ортотропного упругого тела? Если так, то можно ли альтернативно этой команде в Engineering Data выбрать Anisotropic Elasticity и там забить все D_ij ?

 

Вообще проверил, что при задании TB,PIEZ,MATID,,,0 (TBOPT = 0) программа работает, как и должна по умолчанию.

 

 

 

Изменено 23 октября 2018 пользователем Pumpov
space

[soklakov 1 475]

23 часа назад, Pumpov сказал:

Если так, то можно ли альтернативно этой команде в Engineering Data выбрать Anisotropic Elasticity и там забить все D_ij ?

а попробовать?

 

[Pumpov 14]

В 24.10.2018 в 16:10, soklakov сказал:

В 23.10.2018 в 16:48, Pumpov сказал:

Если так, то можно ли альтернативно этой команде в Engineering Data выбрать Anisotropic Elasticity и там забить все D_ij ?

а попробовать?

Добрый день. Позвольте продолжить тему.

 

При расчета прогиба пьезоэлектрического диска вследствие поперечного пьезоэффекта я попробовал задавать пьезомодули материала в формате TB,PIEZ,MATID,,,1 .

Для этого в Engineering Data я для данного материала заполнил таблицу "Anisotropic Elasticity" (левая нижняя четверть таблицы в данном случае - нули). А в командной вставке написал:

 

TB,PIEZ,MATID,,,1

TBDATA,3,-180E-12

 

(задал коэффициент d13)

 

Тем не менее, ANSYS выдает ошибку: "An unknown error ocurred during solution. Check the Solver Output on the Solution Information object for possible causes."

Сообщение в Solution Information: "No ANEL table exists for material 1. Cannot convert the piezoelectric strain matrix [d] to piezoelectric stress matrix [e]."

 

Вопрос: почему введенная в Engineering Data таблица "не видится" для конвертации [d] в [e] ?

[soklakov 1 475]

В 14.05.2019 в 17:17, Pumpov сказал:

Вопрос: почему введенная в Engineering Data таблица "не видится" для конвертации [d] в [e] ?

потому что прописывается не как таблица ANEL.

Если командами прописать ANEL работает ведь?

[Pumpov 14]

В 27.05.2019 в 16:20, soklakov сказал:

В 14.05.2019 в 17:17, Pumpov сказал:

Вопрос: почему введенная в Engineering Data таблица "не видится" для конвертации [d] в [e] ?

потому что прописывается не как таблица ANEL.

Если командами прописать ANEL работает ведь?

В принципе работает, спасибо. Но результат получается численно неверный.

Для примера снова взял изотропный кубик из пьезоматериала с коэффициентом Пуассона равным нулю. При подаче напряжения между противоположными гранями кубика по направлению оси X деформация по направлению Y равна:

.

Параметры следующие:

e_21 = -7, E = 6E+10, V_1 = 500. Тогда dl_y = 5.83E-8, соответственно в 2 раза меньше, на гранях кубика будет 2.9167E-8.

. Зачет, так сказать.

Если же использовать ввод данных о пьезоматериале в терминах [d], то в данном случае должно выполняться соотношение:

.

В пересчете получается d_21 = e_21/E = -116.67E-12.

Таким образом, ввожу данные в командной вставке:

.

Результат следующий:

.

 

Почему нет совпадения, пусть с точностью до порядка, - не знаю. Правильно хоть ввел d_21, опуская множитель 10^(-12) ?

 

[soklakov 1 475]

13 минуты назад, Pumpov сказал:

Правильно хоть ввел d_21, опуская множитель 10^(-12) ?

а почему опустили?

13 минуты назад, Pumpov сказал:

Для примера снова взял изотропный кубик из пьезоматериала с коэффициентом Пуассона равным нулю.

припоминается, что пьезоэлектрики плохо дружили с изотропным материалом. Может стоит экспериментировать на упругих константах реального пьезоэлектрика? А управляя пьезоэлектрическими константами и условиями закрепления можно ставить достаточно простые задачи с ожидаемым результатом.