超聲換能器及超聲波傳播仿真軟件PZFlex

1、PZF/ex<Virtual Prototyping#PZF/ex<Virtual Prototyping超聲換能器及超聲波傳播仿真軟件-PZFlexPZFlex軟件簡介NLFlex£MFIex 'ELk iTETTUfH Ht UCOfKKll andPZFlex是專為壓電和超聲應(yīng)用而開發(fā)的全球領(lǐng)先 的波傳播軟件包。經(jīng)過二十年的開發(fā)，我們完善了 PZFlex的功能，使得我們能夠為換能器、超聲成像和 無損檢測的設(shè)計開發(fā)提供完整的解決方案。PZFlex與 聲納、醫(yī)學成像和無損檢測研究結(jié)構(gòu)緊密合作，并獲 得大量的數(shù)據(jù)驗證，它可以幫助你快速而經(jīng)濟地克服研發(fā)中遇到的技術(shù)難

2、題。PZFlex的開發(fā)源至于美國政府的大規(guī)模超聲、次聲波仿真項目（Flex Code）,是為了應(yīng)對全面禁止核試驗條約的限制而開發(fā)的核爆 計算機模擬代碼。PZFlex采用了大量的先進理論、算法和并行技術(shù), 可用于求解數(shù)千萬單元的模型。在過去的10年里，醫(yī)療診斷超聲波設(shè)備的輔助開發(fā)一直是PZFlex的重點，在1999年，SPFlex模塊的開發(fā)成功更加促進了超聲治療行業(yè)的發(fā)展，PZFlexPZFlex在普通PC機上計實現(xiàn)了對穿透不同介質(zhì)，例如：空氣、水、彈性材料、非線性生物 組織、復(fù)合材料和各向異性材料的超聲波的精確建模?，F(xiàn)在的PZFlex展現(xiàn)給您的是更加全面、強大的功能，它也正被快速地拓展到更廣

3、泛的行業(yè)應(yīng)用中，從換能器聲頭設(shè)計到各種超聲應(yīng)用。PZFlex采用基于有限元的時域顯式積分方法，同時具備顯式隱 式求解器。PZFlex采用了最新的并行計算技術(shù)。PZFlex計算模型可 以是2D平面應(yīng)變，2D軸對稱（柱坐標系下），或者3D。PZFlex的 材料模型可以是個各向同性彈性材料、各向異性彈性材料、壓電材 料、非線性材料、粘彈性材料、瑞利阻尼及牛頓粘度模型。在材料 模型中縱向體積彈性模量和橫向剪切阻尼也可以指定。通常情況下, 算2 D模型（10000單元），用時不到一分鐘時間，計算 3 D （數(shù)百萬單元）也僅需幾個小時PZFlex采用了 all in memory算法，計算模型規(guī)模的限制僅

4、僅取決于計算機內(nèi)存的大小。PZFlex的輸出包括時間歷程或場變量快照，例如電壓、電荷、位移、速度、壓強、應(yīng)力、PZFlex在計算的同時同步存儲計算數(shù)據(jù)，以 便后續(xù)的后處理調(diào)用。不同場的輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是非常簡單的，因此用戶可以非常容易地進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理PZFlex計算效率很高，與其他的有限元軟件相比，用戶可在普通PC機上實現(xiàn)超大規(guī)模模型的計算。PZFlex擁有廣泛的單元類型，擁有分析壓電材料、電致伸縮、磁 致伸縮材料、以及超聲應(yīng)用中的流體、彈性體、各向同性/各向異性材料、復(fù)合材料以及非線性生物組織的能力。PZFleX附加模塊還支持 非線性靜電分析。通過與全球的主要生物醫(yī)學、工業(yè)領(lǐng)域和海軍的多年緊

5、密合作，建立了起了完善的分析包和專業(yè)的數(shù)據(jù)后處理工具。PZFlex可以在絕大多數(shù)的硬件平臺上運行，包括普通 PC機、工作站和計算集群設(shè)備。PZFlex為設(shè)計師和工程研發(fā)、檢測工程師提供了功能強大的工具，幫助他們快速而高效地分析、優(yōu)化現(xiàn)有的設(shè)計和應(yīng)用方案最新版的PZFlex提升了核心求解模塊的并行計算能力，包括：聲輻射力，熱沖擊、介電損 耗、體積計算，簡化的模型彎曲和幾何分配、多重驅(qū)動功能，和其他用戶所需的模型。并且所有PZFlex版本均提供了與三維設(shè)計軟件SolidWorks的無縫界面,PZFlex用戶可以直接讀取SolidWorks的設(shè)計文件。注：SolidWorks是全球最流行的三維 CA

6、D/CAM軟件包之一。=PZFlex在超聲領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用，比如超聲換能器設(shè)計、模態(tài) 二二 振型、諧響應(yīng)、聲/電阻抗匹配和各種參數(shù)優(yōu)化，以及超聲波傳播模擬、無損檢測缺陷評估、測量結(jié)果量化與校準、超聲診斷和成像模擬、超聲治療模擬、大型結(jié)構(gòu)噪音和振動控制模擬、石油測井模擬、地震波匕模擬、聲納模擬等?，F(xiàn)在，PZFlex已經(jīng)被美國、日本、歐洲超聲研究-和應(yīng)用單位的廣泛應(yīng)用。PZFlex目前也在中國獲得了相當?shù)膽?yīng)用。PZFlex特色介紹技術(shù)特點采用顯式有限元算法，專門為壓電和超聲波的傳波而開發(fā)的，并提供了長程波的傳播模擬和結(jié)構(gòu)熱計算能力。提供了所有標準的復(fù)合換能器設(shè) 計要求的輸出和技術(shù)驗證。PZFle

7、x求解功能PZFlex求解功能包括：任意復(fù)雜換能器的代碼建模、向?qū)Ы：蚐olidWorks建模，支持預(yù)置3PZF/ex<Virtual Prototyping及自定義激勵波型模擬1. 包括電極、匹配、背襯、電路在內(nèi)的完整的2D和3 D換能器模型2. 等同于實驗手段的真實時域有限元和結(jié)構(gòu)有限元方法、仿真與實驗數(shù)據(jù)直接對比3. 使用部分吸收或者完全吸收邊界條件模擬“無限大”介質(zhì)，可設(shè)置非等半徑吸收邊界。4. 超聲波在固體、流體和生物材料中的吸收/阻尼/衰減（隨頻率變化）5. 機械振動和參數(shù)優(yōu)化研究6. 通過FFT后處理器繪制計算瞬態(tài)響應(yīng)分析中的阻抗或?qū)Ъ{圖7. 支持材料參數(shù)線性、非線性變化

8、8. 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和場的時域分析9. 超聲波傳播建模、計算聲場、位移、應(yīng)力應(yīng)變、熱和損耗問題10. 超聲波在軟/硬質(zhì)生物組織中的相互作用11. 超聲波在彈性和聲學材料中吸收和衰減12. 醫(yī)療超聲、無損檢測在非線性生物組織模型（B/A）成像模擬13. 超聲換能器匹配、背襯、匹配電路設(shè)計與仿真14. 醫(yī)學治療用高能超聲聲場聚焦、熱及溫度場分析15. 基于波動方程的波場外推獲得指向性，遠場波形和平面波回波脈沖分析16. 瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)波動現(xiàn)象PZFlex應(yīng)用特點超大大規(guī)模三維建模能力模擬數(shù)百萬單元的大型換能器陣列可用于求解壓電材料、單晶和復(fù)合材料換能器用于換能器電子電路匹配和線束設(shè)計一次計算獲得導納和阻抗、

9、聲束指向性和發(fā)射電壓響應(yīng)、脈沖回波 模擬對壓電材料建模與超聲系統(tǒng)能夠進行高速建模并保證精度極廣的求解能力，包括靜電、熱和電致伸縮在醫(yī)用超聲換能器、海軍聲納和成像系統(tǒng)、微電子機械系統(tǒng)、傳感 器以及無損檢測方面的數(shù)值模擬和實驗校正有長達幾十年的經(jīng)驗，從醫(yī)療、工業(yè)探傷到氣穴現(xiàn)象都能模擬診斷超聲波入射、反射和頻率衰減治療超聲波高能、非線性傳播與熱效應(yīng)噪聲與振動控制：智能機械支持大規(guī)模并行計算、All in Memory算法，用于大規(guī)模計算支持 Windows x86、64bit 和 Linux32 和 64 位平臺5PZ 匚lexVirtual PrototypingsPZFlex程序及模塊PZFle

10、x根據(jù)用戶需求的不同，內(nèi)建了不同的模塊：PZFlex Professi onal器件仿真模塊，用于中等規(guī)模器件仿真分析；Electrostatic （CMUT） module電容式換能器模塊，器件設(shè)計模塊；SpectralFlex module大規(guī)模超聲波傳播仿真模塊（100入波長以上）;PZ 匚lexVirtual PrototypingsPZ 匚lexVirtual PrototypingsPZ 匚lexVirtual PrototypingsPZFlex Professional換能器設(shè)計及超聲波仿真模塊用于設(shè)計聲波傳播、壓電及聲學應(yīng)用的軟件包，使用顯式時域方法，用于求解復(fù)雜一維、二維、

11、三維波傳播問題，可用于模擬壓電材料、聲場流體、各向同性，各向異性材料、非線性 生物組織。豐富的壓電及聲波傳播求解能力、并具備完善的后處理工具，擁有豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗。技術(shù)參數(shù)：全面的二維/三維求解器顯式/隱式算法豐富的材料庫，壓電、各向同性、各向異性、固體、復(fù)合材料等熱和熱/固耦合求解器匹配電路設(shè)計能力，包括，電阻、電感、電容等電路匹配豐富的后處理能力，方便地生成導納曲線、TVR、Beam Profile等豐富的流體邊界設(shè)定能力、包括輻射、散射、吸收邊界等SpectralFlex大規(guī)模超聲波傳播仿真模塊專用于模擬大規(guī)模聲波傳播的軟件，廣泛地應(yīng)用于求解長時間歷程波傳播模擬（100入以上），具有豐

12、富的求解能力，全面的物性參數(shù)、邊界設(shè)定能力 技術(shù)參數(shù)：長程超聲波求解能力大規(guī)模求解能力PZFle*Virtual Proto typing9PZFle*Virtual Proto typing顯式算法各向異性、各向同性介質(zhì)中傳播模擬豐富的無損探測、聲波探測應(yīng)用能力Electrostatic (CMUT)電容式超聲換能器設(shè)計模塊由于器件原理不同，CMUT是PZFlex開發(fā)的專用于模擬 cMUT (capacitive micromachined ultrasonicElectrodeSilicon Nitridetran sducers)問題的模塊，用于解決器件的靜電力和大變形問題。SolidW

13、orks數(shù)據(jù)導入向?qū)KPZFlex和SolidWorks具有良好的接口，這就使復(fù)雜模型分析成為可能。通過 PZFlex 和 SolidWorks 的接口界面，用戶可以完成一個完整的分析。包括模型導入、定義材料、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、施加載荷、定義要輸出的數(shù)據(jù)等。PZFlex附加模塊PZFlex軟件包括了 REVIEW模塊，REVIEW是.二 彳咚叵i一個后處理程序能夠用來計算阻抗，分析FFT信號，繪制結(jié)果，在計算機屏幕上顯示動畫。在REVIEW中, 實驗結(jié)果也很容易的導入，并可進行交會繪圖。REVIEW內(nèi)置了時間調(diào)節(jié)、縮放、微分、積分操作工具，幫助用戶向?qū)Х绞竭M行結(jié)果比對。REVIEW運用

14、了基爾霍夫外推法得到持續(xù)的遠場，并結(jié)合其他方程獲得超聲波的指向性。PZFlex便利性工具組PZFlex材料導入工具PZFlex三維模型導入工具Inage data'回idO. k Mficht |0, 00 Ii an R.$J：取辿“山鞏隊鴛J從SolidWorks中導入的模型(STL格式)在PZFlex中可以用導入工具進行網(wǎng)格劃分，載荷邊界設(shè)定、激勵波形、隨后模型以PZFlex格式輸出，并提交計算模組的SolidWorks軟件包。PZFlex為用戶提供包括Part/AssemblySdidWorks Part MaterialProject#PZFIex<Virtual Pr

15、ototypingPZFlex外推計算工具包11PZFIex<Virtual Prototyping#PZFIex<Virtual PrototypingPZFlex二維建模工具包PZFlex聚焦超聲模擬工具MediFlexMediFlex模塊幫助用戶快速創(chuàng)建高能聚焦超聲(HIFU模 型，并在PZFlex進行計算。在MediFlex中，用戶可以F»3BlrKi SmLIhvIlair IK iMr«快速地制定聲源和超聲傳播介質(zhì)，指定求解輸出數(shù)據(jù)種類。同時MediFlex提供了一系列換能器的模板，包括球殼換能器、曲線殼形換能 器和相控陣換能器，用戶可以快速地選擇激

16、勵換能器的類型，并輸入相應(yīng)的參數(shù)，瞬間完成換能器和高能聚焦超聲(HIFU模擬的建模。PZFle板波(LambWave)離散工具包PZFle主動型材料極化方向工具包PZFlex壓電、傳播介質(zhì)材料施加工具包PZFlex壓電材料屬性矩陣轉(zhuǎn)換工具包itLin o' CunwiLlrair CwwriPZFlex批處理計算管理工具包PZFlex阻尼曲線計算工具PZFIe計算任務(wù)排程工具JobSchedulerJobScheduler允許用戶對計算任務(wù)進行日程排布，使得PZFlex/Build/Review按照該任務(wù)排布表進行連續(xù)的計算，用戶也可以通過JobScheduler的高級選項定義計算控制

17、臺、自動暫停、停用圖形顯示、重命名計算結(jié)果文件#PZFle*Virtual Proto typing“ 1 I I J 41 PZFlex使用及操作特點簡單高效的代碼向?qū)ЫＤＪ?PZFlex Wizard)PZFlex提供了模型建立文件模板，用戶可以使用這個模板快速地創(chuàng)建有限元模型。文件模板的結(jié)構(gòu)如下所示：模型尺寸定義用于定義模型大小通過關(guān)鍵點X Y Z坐標系統(tǒng)使用模型尺寸定義關(guān)鍵點沿各個軸的坐標單元尺寸定義計算模型的單元大小I J -K坐標軸定義對應(yīng)I/J/K軸的節(jié)點關(guān)系GEOM的定義定義模型幾何尺寸和單元節(jié)點的一一對應(yīng)關(guān)系材料的定義-用MATR命令定義或從文件中讀材料的尺寸定義 -SIT

18、E命令給網(wǎng)格節(jié)點或者幾何區(qū)域施加材料 -REGN CYLN SPHF子邊界條件-BOUN命令定義計算模型的邊界條件 -SIDE子命令驅(qū)動函數(shù)-func命令表明激勵波類型屬性計算-CALC命令選擇的屬性來計算的模型-PRES DISP子命令電場/壓力載荷的應(yīng)用 -PIEZ和PLOD命令13PZFle*Virtual Proto typingotolypinq15PZFle*Virtual Proto typing時間歷程-POUT命令存儲稍后進行分析中的具體數(shù)據(jù)模型進程執(zhí)行命令設(shè)定時間波傳播通過整個模型繪圖執(zhí)行完畢后，模型的分析結(jié)果內(nèi)置快而高效的計算法則內(nèi)置快速而精確的算法用于快速地生成精確的有

19、限元模型，支 持異常巨大的設(shè)備部件、甚至整機，包括殼體。全面的固體和流體分析能力以及壓電材料中的機電耦合效應(yīng)。經(jīng)過檢驗的后處理工具能使導納、阻抗、指向性圖、TVR的生成變得簡單，你能將輸出值和實驗的結(jié)果直接進行比較。內(nèi)置全面的單元類型，使你能分析廣泛的超聲波工作媒質(zhì)，從流體介質(zhì)到非線性生物 組織。具有先進的求解能力，大大超越了傳統(tǒng)的 1D建模和普通的單憑經(jīng)驗的設(shè)計方法，包 括非破壞性的測試矩陣中的復(fù)雜模式，生物學裝置中的精細電極之間的電色度干擾以及兩個拖 動體和聲納間的交互式作用等。Resona朮FrequenciesModeShapesAbsoluteMagnitudesElectrical

20、ImpedancePulse/Edho ResponseBroadbandNon-linearStaticXXXXXXModalJXXXXXHarmonic>/dX+XTransient7J777y附加模塊支持非線性靜電分析和長距離傳輸分析（這種行為類似于使用傳統(tǒng)的"B/A"模式替代非線性材料）。 I * 4.完整的熱解決方案用于計算溫度場和機械熱效應(yīng)。簡潔高效的GUI界面FLexLAB提供了簡潔的用戶界面，在界面上可以很容易的找到相應(yīng)的功能圖標。無論是分析過程中還是分析完成時， 壓電分 析或超聲波的仿真都能夠以曲線和動畫的形式提供給用戶。結(jié)合高效快速的內(nèi)置計算法則,

21、PZFleX除 了直觀、易于操作、有助于幫助用戶理解物理模型等特點外，還能大大的縮短工程分析時間，幫助用戶快速獲得精確地計算結(jié)果。向?qū)Х绞竭M行模擬一系列簡單易用的GUI向?qū)В屧O(shè)計者不需有建?；蚓幊讨R就能建模、測試、檢測換能器為1 3壓電復(fù)合材料提供模型2D和3D模型,2 2壓電復(fù)合材 料和標準平板和圓盤設(shè)計。設(shè)計者可以指定背襯和匹配的材料，還可以考慮換能器工作的 環(huán)境，比如水、空氣或者蓖麻油。輸出動畫格式PZFlex的分析過程和結(jié)果所輸出的動畫可以保存為 AVI格式，并且可以輸出為JPG等格式PZFleX的改進歷程無論是何種產(chǎn)品，在面世之初都會存在一些問題。PZFlex 在設(shè)計之初也不能做

22、到盡善盡美，但是經(jīng)過多年的改進實際 工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，PZFle已經(jīng)成為在超聲換能器及超 聲波仿真方面的成熟軟件。PZFlex 2.3PZFlex2.包括新的向?qū)Чぞ吆秃诵挠嬎憬M件、一個測試版的一維模型工具箱，同時，PZFlex2.擴展了后處理能力。在PZFlex2.3版本中，F(xiàn)lexLAE平臺已經(jīng)升級到了真正的64位環(huán)境，它提升了內(nèi)存的調(diào)用能力，使得 SolidWorkS莫 型和材料的導入更加方便、靈活。HIFC熱計算模型MediFlexTM 工PZFlex2.3提升了核心求解模塊的計算能力，包括：聲輻射力,熱沖擊、介電損耗、體積計算，簡化的模型彎曲和幾何分配、多重驅(qū)動功能， 和其他用戶所需的模型。PZF