基于有限元的压电风扇建模与仿真分析

材料激励悬臂板振动，在一阶固有频率时的流场旋涡特性，并进行实验验证;A.Ihara等人[2]以双压电膜片进行实验，表明两膜片间距对反向振动膜片的下游流动影响较大，而对同向振动的激励流场影响较小;J.H.Yoo等人[3]通过实验得到振动薄片的最优制作材料及最优尺寸，并研究了振动薄片振幅和风速之间的关系;M.Kimber等人[4-5]通过实验，采用不同的材料制成振动薄片，并对比两种不同材料制成的振动薄片以不同的振幅振动产生流场的压强和流量;T.Acikalin等人[6-7]验证了多种变量对压电风扇散热性能的影响。上述成果说明了压电风扇周围流场的复杂特性，为了进行更加深入的研究，本文基于ANSYS分析软件[8]，通过改变压电风扇的参数[9-10]，对压电风扇激励振动薄片的振动规律进行研究。该研究为进一步研究压电风扇的不同结构尺寸和摆放位置对散热效果的影响提供了参考依据。

1 数值建模与理论分析

压电风扇常用作微电子器件的散热装置[11-13]。在压电材料上施加交变电流，由于其逆压电效应会激励振动薄片不断地往复振动，进而产生散热效果。压电风扇示意图如图1所示。为简化模型，可将压电风扇振动简化为二维模型，并删除驱动器结构和支撑结构的多余部分。压电风扇振动简化模型如图2所示，振动薄片自由端的振动幅值为A，整个振动薄片的总长为L。

2 压电风扇机械特性分析

模态分析的目的是分析结构在无外力作用下的振动行为，包括自然振动频率和该频率下的振动形状，通过模态分析可以了解元件在什么频率下产生共振[17]。本文以矩形压电风扇为例，在不改变原有压电风扇其它结构参数的条件下，通过改变振动薄片的长度，研究并确定其受压电致动器驱动后的振动行为。锆钛酸铅（piezoelectric ceramic transducer，PZT）压电片的尺寸参数为20 mm×15 mm×0.6 mm，振动薄片的厚度为0.5 mm，设置振动薄片的长度L分别为60，70，80，90，100 mm，研究和分析PZT压电片驱动振动薄片的振动行为[18-19]。当振动薄片L=80 mm时，采用结构化网格对模型进行网格划分，网格尺寸为1 mm，压电风扇网格划分如图3所示，其它长度尺寸振动薄片的网格划分与图3类似。

在模态分析中，设置PZT压电片与振动薄片接触的一侧电压为0，在PZT压电片的固定端，添加的位移边界约束条件为Ux=0，Uy=0，Uz=0，且PZT压电片正负极短路电压V=0。通过仿真模拟，得到不同长度的振动薄片在不同阶数下的振动行为。由于当处在2阶和3阶模态振动时，压电风扇的整体变形量比较大，对风扇的整体结构损坏也比较大，所以本文只给出1阶模态条件下的压电风扇振动行为。不同尺寸压电风扇的振动行为如图4所示。

由图4可以看出，压电风扇在一阶模态振动下，其最大振幅随着振动薄片长度的增加而减小，而且压电风扇的最大振幅均出现在振动薄片的自由端。

在不同阶数振动下，压电风扇的振动频率随着振动薄片长度的变化而变化[20]，压电风扇的振动频率如图5所示。

由图5可以看出，随着振动薄片长度的增加，压电风扇的振动频率逐渐减小;而且相同长度的振动薄片，在前3阶模态时，随着阶数的增加，压电风扇的振动频率随之增大。

3 结束语

本文基于有限元ANSYS Workbench仿真软件，研究了压电风扇的振动薄片在不同长度尺寸和不同阶数条件下压电风扇的振动行为，表明了压电风扇激励振动薄片的振动规律。针对特定的压电风冷环境，未来可以探讨压电风扇的不同结构尺寸和摆放位置对散热效果的影响，改变各种不同的参数以获得最佳的散热效果，还可通过更多的实验研究来验证仿真结果的准确性。

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