基于Abaqus压电风扇仿真
一、引言
当提到电子设备的热管理时，大多数人都会想到安装在CPU上的散热器和风扇。然而，在这一领域，人们一直在寻找改进或替代现有风扇的方法，因为现有风扇仍存在诸多问题，例如噪音大、功耗高、体积大，以及轴承磨损导致的寿命问题。轴流风扇的一个重要问题是，在风扇旋转中心周围没有气流，气流呈涡流状态。由于散热器通常具有线性流道，这种气流无法有效冷却散热器。压电风扇因其低噪音和低功耗的特点而受到研究和开发的关注。近年来，越来越多的研究认为，压电风扇可以满足电子冷却模块的需求，例如轻量化、低噪音和小型化。在本研究中，我们首先解决了寿命和鲁棒性问题。然后，根据气流和形状等特性，我们设计并测试了适用于具有多个热源、低成本PC和LED模块等移动电子设备的紧凑型冷却模块。
二、压电风扇的工作原理与特性
2.1 压电风扇的工作原理
压电元件的电场引发的应变被称为“逆压电效应”。通常，这种应变本身很小，难以直接使用。为了获得更大的位移，将一块金属或塑料片（叶片）附着在压电元件上，使其像双金属条一样弯曲。如图1(a)所示，当施加正电压时，该结构向上弯曲；施加负电压时，结构向下弯曲。尽管在某些领域这种位移已经足够，但对于冷却所需的气流而言仍然不够。通过延长叶片并在其谐振频率下驱动该结构，如图1所示，叶片的自由端在共振时产生较大位移，从而产生所需的气流。
2.2 压电风扇的特性
图2显示了在对压电风扇施加正弦电压时，其驱动频率与风扇尖端振幅之间的关系。压电元件的应变几乎与施加的电场成正比，因此电压（Vpp）的增加会增加应变能量和压电风扇的振幅。图2的结果还表明，振幅在某些特定频率下具有最大值。这是因为压电风扇利用共振来获得更大的振幅和更多的气流。
2.3 低驱动电压压电风扇
由于绝缘、成本和安全等诸多原因，高电压在电子设备中并不受欢迎。然而，较大的气流来自于较大的压电风扇振幅，而振幅来自于高电场。在这里，我们首先通过减少压电元件的厚度来在相同电压下增加电场。然后，我们将薄压电元件叠层，以增加产生的力，并将叠层元件附加到叶片上。表格显示了两种具有相同几何配置的压电风扇的性能，并表明降低驱动电压的有效性。
三、长寿命和高可靠性的压电风扇
图1(b)展示了一个典型的压电风扇，其由压电元件和由薄片制成的叶片构成。然而，这种结构虽然能够工作，但在寿命测试中存在问题，因为叶片尖端的惯性力会对压电元件施加很大的力矩。特别是，在压电元件的自由端附近会出现较大的应力。因此，在长期测试中，叶片会从压电元件上脱落。此外，当异物接触到正在运动的压电风扇时，惯性力会变得非常大，从而在这种情况下经常发生脱落现象。此外，用于连接压电元件和叶片的粘合剂的粘合力也容易失效，特别是在高温环境下，脱落现象尤为频繁。图3展示了我们的解决方案。图3(a)显示了传统压电风扇的结构，并标明了应力集中的位置。我们通过在图3(b)所示位置添加支撑块来缓解集中应力。
模态分析：一阶摆动频率 59.5HZ
谐响应分析：59.5Hz时末端偏摆位移0.09m
不同阻尼下共振偏摆位移
应力结果
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