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(fēng)扇的物理特征，本文采用ANSYS Workbench，建立壓電風(fēng)扇的簡化模型，并對壓電風(fēng)扇的多種參數(shù)變化進行模擬仿真，實現(xiàn)對壓電風(fēng)扇機械特性的模態(tài)分析。仿真結(jié)果表明，保持壓電風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇散熱性能的影響。上述成果說明了壓電風(fēng)扇周圍流場的復(fù)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(fēng)扇的參數(shù)[9-10]，對壓電風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fù)振動，進而產(chǎn)生散熱效果。壓電風(fēng)扇示意圖如圖1所示。為簡化模型，可將壓電風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇為例，在不改變原有壓電風(fēng)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(dāng)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(fēng)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(dāng)處在2階和3階模態(tài)振動時，壓電風(fēng)扇的整體變形量比較大，對風(fēng)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(fēng)扇振動行為。不同尺寸壓電風(fēng)扇的振動行為如圖4所示。

由圖4可以看出，壓電風(fēng)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(fēng)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(fēng)扇的振動頻率隨著振動薄片長度的變化而變化[20]，壓電風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇的振動行為，表明了壓電風(fēng)扇激勵振動薄片的振動規(guī)律。針對特定的壓電風(fēng)冷環(huán)境，未來可以探討壓電風(fēng)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(zhǔn)確性。

參考文獻：

[1] Kim Y H， Wereley S T， Chun C H. Phaseresolved flow field produced by a vibrating cantilever plate between two endplates[J]. Physics of Fluid， 2003， 16（1）： 145-162.

[2] Ihara A， Watanabe H. On the flow around flexible plates， oscillating with large amplitude[J]. Journal of Fluids and Structures， 1994， 8（6）： 601-619.

[3] Yoo J H， Hong J I， Gao W. Piezoelectric ceramic bimorph coupled to thin metal plate as cooling fan for electronic devices[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2000， 79（1）： 8-12.

[4] Kimber M， Garimella S. Local heat transfer coefficients under flous induced by vibrating cantilevers[J]. Journal of Heat Transfer， 2007， 129（8）： 1168-1176.

[5] Kimber M， Suzuki K， Kitsunai N， et al. Pressure and flow rate performance of piezoelectric fans[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies， 2010， 32（4）： 766-775.

[6] Acikalin T， Raman A， Garimella S V. Twodimensional streaming flows induced by resonating， thin beams[J]. The Journal of the Acoustical Society of America， 2003， 114（4）： 1785-1795.

[7] Aciklain T， Wait S M， Garimella S V. Experimental investigation of the thermal performance of piezoelectric fans[J]. Heat Transfer Engineering， 2004， 25（1）： 4-14.

[8] 張云杰， 郝利劍. ANSYS Workbench17.0案例分析視頻精講[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2017： 420-431.

[9] 馬海亮. 壓電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)形式的散熱性能研究[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2018.

[10] 周堯， 田灃， 張豐華， 等. 壓電風(fēng)扇嵌入式冷卻系統(tǒng)流場及換熱特性研究[J]. 壓電與聲光， 2018， 40（2）： 309-312.

[11] 李鑫郡， 張靖周， 譚曉茗. 單個壓電風(fēng)扇傳熱特性[J]. 航空學(xué)報， 2017， 38（7）： 120982-1-120982-10.

[12] 郝旭峰， 朱敏波. 壓電風(fēng)扇振動方程和速度場的數(shù)值分析[J]. 計算機輔助工程， 2016， 25（5）： 32-35， 40.

[13] 孔岳， 李敏， 吳蒙蒙. 壓電風(fēng)扇非定常流場速度分布的數(shù)值研究[J]. 工程力學(xué)， 2016， 33（1）： 209-216.

[14] 張朝暉. ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2008： 170-180.

[15] Lucas C， Hirofumi I， Hu H. An experimental study of the unsteady vortex structures in the wake of a piezoelectric flapping wing[C]∥48th AIAA Aerospace Seiences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Drlando， Florida： AIAA， 2010： 1-13.

[16] Hu H Y. Mechanical vibration foundation[M]. Beijing： Beijing University Press， 2005.

[17] 徐海. 共振破碎機振動系統(tǒng)的動力學(xué)仿真研究[D]. 武漢： 武漢理工大學(xué)， 2012.

[18] 崔小斌. 基于壓電效應(yīng)的能量收集裝置實驗及原理研究[D]. 南京： 南京航空航天大學(xué)， 2016.

[19] 沈輝. 基于壓電材料的振動能量回收電路及其應(yīng)用研究[D]. 南京： 南京航空航天大學(xué)， 2010.

[20] 譚蕾， 譚曉茗， 張靖周. 壓電風(fēng)扇激勵非定常流動和換熱特性數(shù)值研究[J]. 航空學(xué)報， 2013， 34（6）： 1277-1284.