連成解析圧電解析による超音波ホーン振動解析

  • 超音波接合ホーンの共振状態を確認したい方

超音波ホーンは使用される周波数において正しく共振するように設計する必要があります。
この事例では超音波振動子(ピエゾ圧電素子)に予荷重をかけたうえで調和電圧を負荷して振動させ、どの周波数で最良の共振状態が得られるかを解析しています。

解析は3種類実施しています。
1.静的構造解析
2.初期応力を考慮したモーダル解析
3.初期応力を考慮したフル法周波数応答解析

解析モデル


解析結果

1.静的構造解析

ピエゾ圧電素子はボルトで固定されています。ボルトプリテンション荷重により、ピエゾ圧電素子を締め付ける予荷重を負荷します。
荷重負荷により電圧が発生する様子が観察できます。(図1)

図1.静的構造解析結果:電圧

2.初期応力を考慮したモーダル解析

静的構造解析で得られた応力状態を用いて、モーダル解析を行います。刺激係数(図2)とモード形状(図3,4)を観察することで長手方向(Z方向)に振れやすく、かつ、それ以外の方向には振れにくいモードを探します。
図3は長手方向にだけ振れやすい理想的なモードです。(この周波数帯で周波数応答解析を実施します)
図4は長手方向以外にも振れやすいため不適切なモードと考えられます。

図2.モーダル解析結果:刺激係数

図3.モーダル解析結果:
15次モード形状図
(長手方向にだけ振れやすい)
(クリックで動画表示)

図4.モーダル解析結果:
25次モード形状図
(長手方向以外も振れやすい)
(クリックで動画表示)

3.初期応力を考慮したフル法周波数応答解析

静的構造解析で得られた応力状態を用いて、周波数応答解析を行います。ピエゾ圧電素子に調和電圧(交流電圧)を負荷して振動させます。素子の振動がホーンに伝わり、ホーン全体が振動します。
解析結果として変位コンタ図(図5)、ホーン先端の変位振幅(図6)、インピーダンス(図7)を取得しています。長手方向(Z方向)に大きく振動し、それ以外の方向(X,Y方向)にはほとんど振動していない様子が観察できます。

図5.周波数応答解析結果:
変位コンタ図
(クリックで動画表示)

図6.周波数応答結果:
ホーン先端の変位振幅

図7.周波数応答結果:
インピーダンス

解析種類

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