超声行波微流体驱动模型动力学分析

超声行波微流体驱动与目前的微流体驱动技术不同,在超声行波的驱动下,借助摩擦力、声流和声辐射压驱动流体,具有无可移动部件的优点,可望在微流体散热、生化分析和药物释放领域得到应用.本文首先讨论了模型的模态选择及控制方法,然后基于有限元分析,讨论了模型固有频率与模型的结构参数之间的关系,分析了沟道尺寸对固有频率的影响.通过谐响应分析,在谐振频率处成功激励出我们所需的模态,得到幅频响应特性,最后对模型进行声固耦合分析,得出声场流体密度和声速对模型固有频率的影响及声压分布规律,为模型的进一步优化设计提供指导.     

超声行波微流体驱动的流动特性分析

研究了超声行波驱动圆环模型的流动特性与影响因素.通过模态分析确定了模型的最佳驱动方式;通过谐响应分析和瞬态分析得到圆环形微管道内壁的振动位移分布以及行波运行情况;通过流固耦合分析得到微管道内流体的瞬时流动速度、时间平均速度以及各种参数对流动特性的影响.结果表明,圆环模型能在管道壁面产生较规则的行波从而推动管内流体流动.微管道内瞬时速度为正弦脉动量,时间平均速度为非对称的抛物线结构.该抛物线结构的形状受驱动频率的影响较大而受驱动电压影响较小,形状发生改变的频率范围在2kHz—2.5kHz之间.流体平均速度随粘度的增加而降低,首次发现流体粘度在0.07Pa.s时近壁开始出现反向流.此外,分析还发现耦合面结构对流体平均速度有较大影响.     

无阀微泵压电特性分析及性能测试

提出了一种用于微量试剂分析的压电驱动微泵模型.该微泵模型采用压电阵子驱动、硅基泵体以及聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）封装而成.对压电阵子振动模态进行有限元分析,得出1~4阶模态及驱动频率,使微泵容积效率为最大的应为1阶模态.通过对微泵压电 应力耦合场进行数值分析,得出微泵最佳驱动频率范围应小于1 kHz.最后,采用微系统加工方法制作出微泵模型,并对其性能进行测试.结果表明：电压为100 V(p-p)的正弦波驱动下,频率为60和200 Hz时,微泵流量最大达到34.5 μL/min,而当频率在60~600 Hz时微泵压力最大达到657 Pa,与数值分析结果相吻合.     

齿轮传动激励下采煤机摇臂振动特性

为研究采煤机摇臂齿轮系统啮频耦合规律及齿轮传动激励下摇臂壳体振动特性,进行摇臂振动特性实验.根据齿轮参数,计算啮合频率,得到齿轮传动激励频率成分.通过有限元模型及实验模态分析,得到摇臂固有特性.通过振动特性实验,测量摇臂振动加速度,进行时域及频域分析,得到传动系统啮频耦合规律.结果表明:传动系统启动冲击约为重载截割冲击的2倍;平稳运行时行星级振动峰值最大;摇臂形成了以第3、第5阶振型为主的弹性振动;行星级与惰轮级结合处频率耦合作用最强,主要形式为各特征频率倍频组合频率.频率耦合是造成摇臂共振的主要原因.     

低频超声雾化喷头优化设计及试验

为克服雾化栽培中高频超声雾化器的缺点,提出了一种新型低频超声雾化器结构.通过理论分析及计算确定了该低频超声雾化器的主要结构尺寸;建立了喷头三维参数化模型及有限单元模型,进行了模态分析,确定了其工作模态和频率,模态分析试验验证了理论计算和模态分析的正确性;应用相位多普勒测量(PDPA/PDA)技术对低频超声雾化器雾化效果进行了测量;通过对测量结果的统计分析发现,体积中径小于5μm的超细雾滴占22.3%,说明其可以产生超细雾滴,基本满足雾化栽培的需要;雾化试验结果还表明该型雾化器具有雾化量大、可靠性高、以及连续工作时间长等特点,是一种在雾化栽培中极具应用前景的新型雾化器.     

基于数字锁相环控制的硅微陀螺仪驱动模态分析与实验

为了有效控制硅微陀螺仪的驱动模态,采用基于数字锁相环的相位控制方案对驱动信号振动频率进行跟踪控制.首先,分析了硅微陀螺仪驱动模态的特点,提出了一种数字锁相环控制驱动信号频率的方法;其次,阐述了基于锁相环的硅微陀螺仪驱动模态闭环控制原理,并分析了锁相环频率控制的稳定性;然后,对锁相环控制的驱动模态频率变化和跟踪情况进行了仿真,验证了驱动频率动态跟踪特性;最后,设计了一种基于锁相环的FPGA数字电路控制方案,并制作成实际电路,同时,对硅微陀螺仪驱动模态的开环谐振频率驱动和闭环频率驱动进行了对比实验.结果表明,当温度在-40～60℃内变化时,该控制方案能够保证驱动频率时刻跟踪驱动模态谐振频率的变化,且跟踪相对误差为2.5×10-5.     

基于模态局部化的耦合悬臂梁能量收集分析

为提高能量采集效率和拓宽能量采集效率范围,基于模态耦合原理,设计出一种机械耦合式悬臂梁结构.通过设计弹性连接的悬臂梁能量收集器,利用长度非对称诱发结构模态产生局部化现象,以假设模态法为指导,建立悬臂梁能量收集器的运动微分方程.基于理论模型、仿真模型和实验验证对能量收集进行研究,通过实验测量出耦合悬臂梁能量收集器的振动频率、电压和功率等信号.实验结果与仿真结果相互佐证,证明了压电悬臂梁能量收集器不仅能够提高频率带宽,而且也提高了收集效率.     

热汽泡驱动无阀微泵流动特性分析

基于热汽泡生长和冷凝为微泵提供泵送压力源以及扩张管/收缩管流动阻力特性不同而实现差量流动的原理,对不同加热时间比例、驱动频率以及不同扩张角度及功率下热汽泡驱动无阀微泵流动特性进行了研究.蒸发和凝结过程通过流体体积函数(VOF)两相流模型及用户自定义函数(UDF)接口实现.结果表明:相同加热时间比例下,随着驱动频率增加,微泵泵送流量呈先增加后降低趋势;加热时间比例为10％,驱动频率为250 Hz时泵送流量达到最大值5.87 μL/min;在保持微泵扩张管/收缩管长宽比不变的情况下,泵送流量随扩张角也有先增后减的趋势,并在扩张角为14°时泵送流量达到最大,扩张管/收缩管压差也较大;在整个驱动周期内扩张管方向颈部平均流速总是大于收缩管方向颈部平均流速;泵送流量随加热功率增加呈先增加后趋于平缓的趋势.     

超声直线电机工作过程仿真

在建立超声直线电机三维参数化模型的基础上,应用压电耦合理论、有限元理论和技术,开发了超声直线电机的虚拟样机系统;在模态分析的基础上,确定了该型电机的关键结构参数;对超声直线电机的工作过程进行了瞬态分析.瞬态分析结果表明,单脉冲驱动进给量可以达到纳米级;其z相位移与时间不是严格的线性关系.根据仿真研究结果,加工制造出了超声直线电机.初步试验结果表明,超声直线电机工作性能与仿真分析结果基本一致.     

FM6324立式加工中心工作台组件的ANSYS模态分析及优化

文章以FM6324立式加工中心的底座、鞍座、工作台组成的装配体为研究对象,利用Pro/E建立三维模型,基于吉村允孝法得到结合部动态特性参数,利用ANSYS结合APDL语言建立动力学模型,通过AN-SYS模态分析得到装配体的前5阶模态频率和振型;以筋板尺寸和结合部尺寸为设计变量,利用正交试验表进行尺寸优化设计,提高了装配体的模态频率.结果证明,装配体动力学优化时,优化结合部尺寸比优化筋板尺寸的效果更好.     

电动轮刚性环耦合特性模型建模与分析

为进行电动轮高频转矩激励下的振动响应分析,基于刚性环轮胎模型假设,考虑轮辋与轮毂电机弹性连接关系建立了电动轮刚性环耦合特性模型.通过电动轮工作模态试验对模型主要刚度参数进行了识别,并结合胎面参数分析了模型的固有特性.所建立的电动轮模型能够准确描述胎面径向一阶平移频率和周向旋转频率,且考虑轮辋与轮毂电机连接柔性改变了原有的轮胎环、轮辋固有频率分布,可以避开原有峰值频率.根据电动轮轮毂电机实测激励频率特征,对所建立的电动轮刚性环耦合特性模型进行了相应频率的转矩激励.分析表明,考虑轮辋与轮毂电机间弹性连接耦合特性关系,能够减小原有电动轮一阶径向平移频率附近的轮胎与车身的振动加速度响应,为电动轮结构设计提供理论指导意义.     

高频热声制冷机中的压电驱动器

为了研究压电驱动器与热声谐振腔间的耦合特性,建立了压电驱动系统的网络模拟模型。根据压电片的简支和固定两种边界条件,对压电驱动器及(热)声谐振腔声负荷系统的频率和电压特性进行了模拟计算。研究结果显示在高频时系统元件间的耦合特性较低频时好,具有简支边界的压电片产生的声压级比固定边界的要大得多,声压级随输入电压的变化特性计算与实验是相一致的。该模型可用于热声制冷机中压电驱动系统的特性分析。     

超声空化气泡运动方程的求解及过程模拟

考虑液相的动力粘度、表面张力和溶剂的蒸气压对空化泡运动特性的影响,建立了超声作用于均相液体中空化泡运动的动力学模型,并用MATLAB工具对建立的普遍化的模型方程进行了数值求解和过程模拟.探讨了超声在水介质中传播时超声的频率、功率和空化泡的初始平衡半径对空化泡运动规律的影响以及声压幅值和液相主体温度对空化泡崩溃时的泡内温度和压力的影响,为超声的空化效应在化工过程中的研究和应用提供了基础理论依据.     

Hastelloy C-276合金脉冲激光焊接熔池流动行为分析

根据传热学和流体力学基本原理建立瞬态Nd:YAG脉冲激光焊接熔池三维数值分析模型,研究Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接过程中熔池液态金属流动的基本规律.利用Fluent软件,采用有限容积法求解控制方程,用SIMPLE算法处理压力与速度耦合.引入Ma来评价焊接熔池的流动特性,并指出了焊接熔池中出现重熔轮廓线的原因.通过与实测温度场对比,验证了所建模型的准确性.模拟分析表明:脉冲激光焊接过程中存在较微弱的Marangoni对流现象;牛顿剪切应力的存在使熔池表层流体对流剧烈.此模型可为Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接熔池流体流动行为分析提供理论依据.     

数值积分函数对超声波流量计精度的影响

针对数值积分函数在超声波流量计计量过程中会引入固有误差的问题,对常用的4种积分函数在Re为1.0×103～1.0×107区间的固有误差进行了比较.通过建立超声波流量计数学模型,结合发展管内流速的分布规律,计算各积分函数的2～5个声路的误差,得到了误差分布曲线.研究结果表明:各积分函数的声路数越多,引入的固有误差越小,当Re大于等于1.0×105时,各积分函数的引入误差随着Re的增大逐渐趋于稳定.在声路数不受限制且管路流量检测范围内会出现最大引入误差时,Gauss-Legender积分具有明显优势.当Re大于等于8.0×103、小于等于4.0×105时,Tailored积分具有较小误差,而Owics积分更适用于声路数受限制和Re大于4.0×105的管路流量检测.     

移动交界面流固耦合传热的数值稳定性分析

研究了交界面移动情况下流固耦合稳态传热的数值稳定性问题.考虑Dirichlet-Robin组合边界条件,用速度表征交界面的移动情况,流体域和固体域分别采用有限体积法和有限单元法进行离散及数值求解,利用Goudonov-Ryabenkii理论正则模态分析方法重点研究了交界面移动时数值方法的稳定性,最终获得了一条由耦合系数和移动速度组成的最优曲线,并且证明了当耦合系数和移动速度在这条曲线上取值时,离散的求解域能够达到最快的收敛速度及绝对的稳定性特征.为设计人员进行数值仿真时选取合理的参数提供了参考.     

基于ADAMS的3-TPS混联机床运动学和动力学仿真

针对3-TPS混联机床的电机参数选择和机构设计问题,在SolidWorks软件中建立混联机床的三维实体模型,然后把该装配体模型导入到ADAMS/View里,形成了具有多体动力学的虚拟样机仿真模型.通过对该机床进行运动学和动力学分析,仿真得出各主动杆件的速度和驱动力曲线.以空间搜索的方法,找出各主动杆件的最大速度和最大驱动力,从而获得了3-TPS混联机床的运动和动力特性,为机床的电机选择和机构以及控制系统的设计提供了重要参考依据.     

基于整车虚拟样机的车体结构拓扑优化

基于整车零部件几何模型,结合车体的有限元网格划分及模态分析,构建履带装甲车辆刚柔混合虚拟样机,进行典型工况下的多体动力学仿真分析,输出若干关键时间点车体承受的荷载.利用有限元分析技术将荷载加载到车体有限元模型上,对车体进行结构力学分析和多荷载步拓扑优化.根据拓扑优化结果修改车体局部结构,并重新构建虚拟样机模型再次进行仿真分析,将应力和变形分析结果与原仿真结果进行比较.结果表明,结合动力学仿真和有限元分析进行结构拓扑优化,可以改善关键零部件的力学性能,提高刚强度,为改善装甲车辆的结构性能提供了一种有效方法.