基于ANSYS的小井眼偶极声波换能器有限元分析

　　0 引言

　　地层横波信息可以帮助确定地层孔隙度、流体饱和度，估算地层介质的杨氏模量和泊松比，分析地层应力和地层各向异性[1]。横波的激发、传播和拾取一直是地质勘探和声波测井领域非常关注的问题[1-2]。偶极声波换能器作为横波测井仪器的核心部件，是横波测井仪器开发设计的关键性技术[2]。一般而言，为了提高横波速度的测量精度，设计时应尽量降低偶极声波换能器的发射频率[3,4]。当偶极子测井的频率低于4kHz时，测量介质弯曲波的速度趋近于地层的横波速度[5]。井下声波换能器的结构比较复杂，难以通过解析求解的方法进行描述，数值仿真模拟已经发展成为换能器优化设计的基本手段。随着勘探难度的增大，井深增加，小井眼钻井增多，小尺寸换能器的研究与发展势在必行。本文通过ANSYS软件数值模拟边界条件对偶极换能器基频的影响，得到的结果可服务于先进声波测井仪器的设计和研制。

　　1 偶极换能器模型简介

　　偶极换能器由两片压电陶瓷片和金属基板粘合而成，如图1所示。本次物理模拟过程中，使用压电陶瓷片和金属基板的宽度均为20mm，厚度均为2mm，压电陶瓷片长度为36mm，金属基板的长度为72mm。

　　2 ANSYS模拟过程简介

　　用ANSYS有限元软件模拟偶极换能器的步骤包括以下几步。

　　2.1 给出单元类型，输入材料参数。

　　本文中压电陶瓷片采用PZT5A，金属基片为铝，其各个参数[6]如下表所示。在软件操作过程中，首先进入前处理器，将表1中的相关参数输入软件中。

　　PZT5A(Z方向上极化)

　　弹性常数矩阵：

　　介电常数矩阵：

　　压电常数矩阵：

　　2.2 建立完全几何模型

　　根据前面给出的偶极换能器大小，在笛卡尔坐标系中创建三个块状六面体，通过布尔操作粘合在一起，模拟偶极换能器。

　　2.3 分配单元、材料属性，划分网格

　　按照前面表1给出的信息，将单元和材料属性分配给不同的体积块，然后采用体扫描的方式划分网格，将体积模型转变为有限元模型，单元长度设定为1mm。

　　2.4 设置载荷

　　对自由状态、两端简支，两端钳定三类边界条件下的偶极换能器的一阶基频进行模拟，在金属基板X方向30mm、32mm、34mm、36mm处四个不同位置对称施加载荷。

　　2.5 求解

　　进入求解器，选择模态分析，提取20阶模态，频率范围为100-100000Hz。

　　2.6 通用后处理

　　进入通用后处理器，得到模态分析结果，包括各个频率以及相应的变形矢量图。