纵振换能器谐振频率的数值研究与仿真分析

为得到纵振换能器不同尺寸参数下的谐振频率,满足超声塑化不同聚合物颗粒的要求,需要分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律。推导纵振换能器频率方程,利用MATLAB数值求解不同尺寸参数下纵振换能器的谐振频率,数值和仿真分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律,实验验证数值和仿真分析的正确性。研究结果表明:推导纵振换能器频率方程求得谐振频率解析值、仿真值和实验值有较好的一致性,最大误差小于4%,验证了数值分析求得纵振换能器谐振频率的正确性。谐振频率随着纵振换能器尺寸参数的增大而减小,变幅杆长度和放大比对谐振频率影响较大。     

新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究

各边界条件下矩形厚板辐射声场的辐射声场的解析解很难得到,因此利用有限元法分析了由夹心换能器与矩形厚板组成的新型纵弯复合换能器谐振频率的影响因素和辐射声场。结果表明矩形厚板几何尺寸对纵弯换能器频率产生较大影响,谐振频率随着接触面积的增大而增大;随着厚度的增大,各模态频率变化趋势与单独矩形板随厚度增大时频率变化不同;频率较低时,谐振频率随着矩形板宽度的增加而增大,但在频率较大时振动比较复杂,规律不明显需根据具体实际情况确定;同时实验测试结果表明模拟结果与实验结果误差较小。辐射声场研究结果表明矩形板几何尺寸会对复合换能器声场产生不同影响,相同振动模式下随着频率的增加,换能器在各模态频率下的指向性峰值变大且越来越尖锐,并且在主峰外出现了较多次峰;当板厚度增加,相同模态下的指向性变得更加尖锐,其结论可为纵弯振动复合换能器实际工程应用提供理论参考和频率调试依据。     

纵扭共振旋转超声加工系统设计

针对目前纵扭共振超声加工系统中存在的振动方向单一、加工难度大等问题,该文设计一种新型螺旋槽式纵扭超声加工系统,通过数值计算法对纵扭超声加工刀柄进行了结构设计,运用有限元软件Workbench分析结构参数对超声振动系统谐振频率的影响规律,并在此基础上对纵扭超声加工系统进行瞬态分析。仿真结果表明,该旋转超声加工系统能够实现纵扭超声振动,且谐振频率与设计值误差为1.675%,振幅可达到预期要求。最后对该纵扭超声系统进行振幅测试,实验结果表明,纵振振幅为9.3μm,扭振振幅为4.5μm,验证了该文设计方法的合理性和正确性。     

夹心式纵-弯复合振动模式超声换能器的研制

研究了一种新型的夹心式纵－弯复合振动模式压电超声换能器．这种换能器用两套压电陶瓷片分别产生纵振动和弯曲振动．利用波动方程的通解,再加上边界条件,推出了纵振动和弯曲振动的频率方程．由频率方程设计出换能器的尺寸,使两种振动模式工作在同一频率．为验证设计理论,制做了一个频率为１０ｋＨｚ的换能器．实验结果表明,换能器的共振频率与设计值基本吻合．     

基于非定常机电转换系数的超磁致伸缩换能器输出振幅模型

为实现对超磁致伸缩超声换能器输出振幅的准确预测,由换能器的等效电路推导得到输出振幅模型,并通过阻抗分析辨识出模型中的等效参数。为提高模型的准确性,研究了激励信号的频率和电压幅值对机电转换系数的影响。通过实验建立机电转换系数与激励频率的关系曲线,插值得到不同频率激励下换能器的机电转换系数,由振幅模型得到换能器输出振幅与激励电流幅值的关系曲线。结果表明:基于阻抗分析结果建立的振幅模型能够较准确地预测换能器在谐振状态下的输出振幅,验证了振幅模型的正确性。基于插值法得到的振幅-电流幅值曲线与实验结果一致,验证了所建立的机电转换系数与激励频率之间关系的正确性,提高了振幅模型在不同频率下的准确性。     

单端输入多端输出的纵振动转换体的研究

传统的超声振动系统一般为一个换能器连接一套变幅杆(或还有工具头),产生沿长度方向上的伸缩振动,这就意味着一套超声振动系统只能加工、处理一个对象,不利于生产效率的提高.本文提出单端输入多端输出的纵振动转换体,由一个输入杆、纵振动变换器、多个输出杆组成.利用振动转换体输入杆、输出各杆两端面的自由边界条件,以及输入杆与变换器、变换器与输出杆连接处振动质元的纵向力、横向力、弯矩与转角连续条件,推导出了设计振动转换体的频率方程,对转换体的纵振动谐振频率进行了计算,与有限元法和实验测试值基本吻合.将振动转换体与纵振频率为19.80 k Hz的换能器相连接,激光测振仪测试了复合振动系统的纵振谐振频率和谐振频率处各输出杆的振型.结果表明,各输出杆端面为活塞振动.换能器若连接本文提出的纵振动转换体,可以实现纵振动的多端输出,处理多个工作对象.文中分析了实现纵振动的转换原理,并通过计算得到了纵振动转换体的谐振频率与各振动部件的几何参数、角度的关系.     

超声测距换能器振动系统的理论设计与测试

讨论了采用复合压电振子的测距换能器振动系统的设计方法,推导出在自由边界条件下复合压电振子的频率方程.找出某一特定频率下测距换能器的几何参数,并进行相同尺寸下的测距换能器实验验证.最后得到设计测距换能器振动系统的几何参数.     

纵弯振动换能器共振特性及有限元仿真

利用夹心式换能器的设计理论,将纵振换能器与薄圆盘作为整体进行分析,做出复合换能器的等效电路图,推导圆盘弯振的等效弹性常数的通式,进而得到复合换能器的共振频率方程.按给定的换能器尺寸,利用计算机计算出了其各阶共振频率.并与单独振动体的频率间距作以比较,发现通过两种振动模态的耦合,大大拉近了各阶振动频率峰值的间距.利用ANSYS模拟实验进行了验证.     

新型管状换能器研究

依据薄膜理论,分析了一种具体形状、径向极化压电圆管换能器的振动特性,在此基础上推导出不同振态下的径长位移特性以及集中参数等效电路,用有限元法分析了径长振动模态,得出谐振和反谐振频率.通过有限元模态分析表明,理论值与模拟值符合的很好,这对管状换能器的工程设计具有参考价值.     

外接电感对轻负载阶梯型换能器频率的影响规律

现功率超声技术已被大范围应用,在实际加工中,其振动实现器件换能器的工况取决于外接负载阻抗的大小变化以及加工过程中换能器的温度变化;随着负载变化,换能器的谐振频率也将发生改变,导致与发生器输出频率不匹配,从而对换能器的输出振幅及加工效率产生负面影响。为得到规律,分别使用换能器的理论设计、仿真以及试验方法研究了轻负载下外接电感对换能器谐振频率的影响。结果表明：随着换能器变幅杆伸入水中长度的增加,换能器的谐振频率呈上升态势;通过外接调谐电感,换能器谐振频率会得到一定量的补偿,使其重新回到预先设定的频率值;随着外接电感值的增大,换能器的谐振频率会下降。可见使用电感负载可以有效解决换能器外接负载导致的频率漂移问题。     

超声场中双气泡非线性动力学参数

从气泡动力学出发,建立了双气泡在外加声场作用下的运动方程,对气泡间的相互作用力进行了研究.研究结果表明：考虑到气泡之间相互作用后,气泡的运动方程、谐振频率、谐振时半径的变化情况明显与单个气泡不同,这些参数不只与气泡各自的初始半径,外加声压强度,液体的黏滞性等因素有关,还与它们之间距离和相对另一气泡的初始半径有关.研究发现：气泡的谐振频率与它们之间距离有关,随着气泡之间距离的增大,其谐振频率在不断减小.但当它们之间的距离增大到某一值时,其谐振频率趋于一定值.这也可以理解为当气泡相对较远时它们之间的相互作用对其影响可以忽略,此时的谐振频率即为单泡的谐振频率.对于谐振时它们的半径变化而言,两气泡之间的作用是相互抑制的,但气泡的初始半径的不同,这种抑制作用的强、弱不同.气泡初始半径相同的气泡,相互抑制作用较弱,数值计算表现出半径相同时其谐振半径的变化幅度要大于半径不同时的结果.     

矩形辐射体夹心式复频超声换能器研究

研究了一种具有多个共振频率的矩形辐射体夹心式复频超声换能器．换能器由圆柱形后盖板、压电陶瓷晶堆及矩形六面体前盖板组合而成．根据表观弹性法和一维纵向振动理论。给出了此类复频超声换能器横向（x，y方向）及纵向（z方向）共振频率方程．用有限元法对给定具体尺寸的此类换能器进行了模态和谐响应分析，得出了其频率输入导纳曲线．理论和数值计算分析表明。此类超声换能器具有多个共振频率，可在不同振动模态上工作，达到了利用同一尺寸超声换能器产生多个共振频率的目的．     

超声变幅杆振动温升及其对振动稳定性的影响

在变幅杆振动中,变幅杆的自身阻尼特性以及与螺栓/工具头的耦合会导致明显温升.为研究该温升特性并探讨其对变幅杆振动稳定性的影响,采用数值模拟得到了纵振变幅杆的总功耗密度和温度分布;通过红外热成像测试对变幅杆理论温升进行了验证,并分析了不同材料的螺栓与工具头连接对温升的影响.结合数值模态分析与实验分析,进一步探讨了温升对变幅杆谐振频率与振幅的影响规律.结果表明,变幅杆连续运行时温升趋于平衡,该平衡点取决于螺栓材料、变幅杆材料和环境因素.对于低阻尼TC4钛合金变幅杆,螺栓处能量损耗为主要热源,其中45钢螺栓发热量占97.7%,而采用TC4钛合金螺栓和TU2紫铜工具头可显著减小温升.同时发现,变幅杆谐振频率与温升成线性负相关,振幅因温升有所降低,二者均稳定在平衡温度点.     

细长轴车削加工振动特性分析

根据细长轴车削振动力学理论,建立车削加工过程力学模型,得出细长轴振动特性的固有频率理论计算公式,利用Matlab软件求出振型函数的振动方程曲线.利用ANSYS软件对细长轴车削过程进行模态分析,得出其前3阶固有频率.对比仿真结果和理论振动方程曲线,发现二者结果非常一致,验证了分析结论的正确性.     

横观各向同性土中大直径桩的纵向振动分析

桩-土动力特性研究一直是桩基工程领域的重要问题,针对受纵向振动荷载下的横观各向同性土中大直径桩动力特性进行研究。基于横观各向同性材料本构方程,忽略土体径向位移建立轴对称条件下土体的动力平衡方程,结合边界条件求解方程,得到土体的位移和剪切力表达式。根据Rayleigh-Love杆模型建立大直径桩的纵向振动平衡方程,结合边界条件求解得到大直径桩在横观各向同性土中纵向振动的解析解,随后分析了桩土参数对土体、桩顶动力响应的影响。将理论解进行退化分析以及将理论解与数值模拟解进行对比进而验证了该理论解的正确性。     

围护墙多功能减震结构的地震反应频响分析

围护墙多功能减震结构是一种新型减震结构,具有调频质量减震和阻尼耗能减震等多种耗能减震功能。为了研究此减震结构在地震作用下的响应特性,本文建立了减震结构在地震作用下的动力方程,推导了减震结构地震响应的传递函数、频谱密度,得到主要影响参数对该结构减震效果的影响,并采用模拟地震振动台进行普通框架结构和此结构的对比验证,通过加速度(位移)功率谱密度和加速度(位移)频响幅值反映出各设置工况下的减震规律。结果显示,与普通框架结构相比,该结构的功率谱密度和频响幅值均有不同程度的减小,减震幅度最大可达39.97%,表明该结构体系在地震波作用下具有很好的减震效果,并在参数设置合理的情况下,减震效果更佳。     

余弦形变幅杆的理论研究及模态分析

根据变截面杆纵向振动的波动方程,推导了余弦形变幅杆的频率方程和重要参数的计算公式.用数学软件Matlab设计了同工作频率、不同面积比的余弦形变幅杆;再用有限元软件ANSYS进行模态分析,确定了共振频率.结果表明,余弦形变幅杆共振频率的模态分析值与理论值比较吻合,平均相对误差为1.86%.