一种超声波器件的3D有限元仿真与分析

中国船舶集团公司第七一五研究所 王晓飞

对单个纳米级物体的可控转动在纳米级微结构的装配、生物微小样品的试验等科技领域中是一项特别重要的科学技术。这个领域的器件种类较多，可是对于这些用于转动纳米级物体的超声波振动器件的有限元仿真分析相对较少，这就造成了很难对这些器件的性能进行提高。在本文中，针对该类型的器件进行了振动特性分析，运用3D有限元分析方法，得到了一些对该类型器件优化提高的方法。

在纳米级微结构的组装、生物学样品的排布、纳米级物体的测量等领域中对纳米级物体的可控转动是一项重要的科学技术。现阶段存在许多方法，通过各种物理学原理来驱动纳米级物体的转动，比如光柱、电磁场、超声波等。在所有的方法中，运用超声波来驱动纳米级物体的转动具有很大的优点，它可以驱动没有磁性的物体，不会对样品有高温损伤，相应的器件结构简单成本低。2014年，研究团队运用振动传输片产生超声学流驱动单根银质的纳米棒绕着微小型玻璃纤维针做圆周运动。然而，针对这些用于驱动纳米棒转动的超声波换能器的有限元仿真分析并不多。

在本文中，运用有限元软件对用于驱动单根银质纳米棒绕微小型玻璃纤维针转动的换能器进行仿真分析，得到其振动特征。该分析得到的结论能够解释该器件为何能够驱动单根银质纳米棒转动。该分析结论也能够有效地指导该器件以及器件上微小型玻璃纤维针的优化设计。……