H形直线超声电机振子的结构分析及模态优化

在纵、弯复合模态直线超声电机的基础上,提出并试制了一种新型的直线超声电机。通过解析法确定振子两侧直梁的长度和厚度范围;完成了H形振子的结构设计,确定了振子的柔性支撑方案。利用ANSYS软件对H形压电振子进行了优化设计。根据优化设计结果,试制了原理样机。实验结果表明:振子的实测谐振频率与有限元计算结果有一定的偏差。实测的频率比有限元计算值要低,其原因是在测试时,振子的边界条件与有限元计算时相比发生了变化。     

热超声封装高频换能器的动力学优化设计

为提高热超声封装效率、降低封装温度,研究了高频超声换能器的动力学优化设计．基于一维振动和波动理论,建立了换能器的解析模型,得到了压电振子、指数形聚能器和劈刀的波动方程．借助有限元分析软件ANSYS参数化建模,分别对压电振子和聚能器进行优化设计．考虑材料、形状和尺寸对其振动特性的影响,得到了换能器最优模型．通过阻抗分析仪和多普勒激光测振仪对换能器进行电谐振和机械谐振测试．实验结果表明,该换能器在其工作频率附近不存在非纵振模态和其它寄生的振动形式,从而方便了超声信号发生器设计.     

纵弯复合多自由度超声电机的研究

提出了一种新型单振子多自由度超声电机结构,由单一驱动足产生多自由度驱动轨迹,驱动转子多自由度运动,其输出端驱动质点运动轨迹的大小和方向可以通过两正交换能器的复合激励进行矢量控制,可以产生3种改变运动方向的正交椭圆轨迹.对十字交叉换能器做了模态分析,对纵振和弯振做了模态简并,建立了驱动足的运动轨迹方程,并分析了典型驱动方式下驱动足的运动轨迹.研制了一种基于单振子纵弯换能器驱动的多自由度球形超声电机,该电机具有结构紧凑、绝对输出力矩大、驱动简单等优点,从根本上解决了多振子驱动形式带来的各驱动振子之间的相互干扰和阻碍问题.实验测试样机绕X、Y轴旋转时,输出转距为0.97 N·m,最高转速为11 r/min,绕Z轴旋转时,输出转距为0.27 N·m,最高转速为66 r/min.     

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．     

纵弯复合模式超声换能器设计

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成.采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器.实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合,达到预期设计目标,这种六边形辐射板换能器可应用于特殊环境的超声测量,或应用于超声生物处理和声化学反应设备中,对该换能器的设计和理论模拟有利于更好掌握其振动特性及其产生的声场分布,对实际应用有指导意义.     

压电双晶片弯曲振动频率方程及其位移解

利用小挠度理论推导设计压电双晶片弯曲振动的频率方程,得到其弯曲振动位移解.利用有限元方法计算压电双晶片弯曲振动的谐振频率.对研制的压电双晶片振子测得其谐振频率,测试结果与有限元计算结果、利用压电方程和小挠度理论推导的频率方程求得的结果相吻合.这说明,所推导的频率方程可于设计自由边界压电双晶片振子.     

劈刀运动历程对热超声键合界面变形的影响

利用有限元分析方法研究在铜金属化晶片上进行金引线热超声键合的过程,建立基于率相关材料特性的热超声键舍有限元模型,对键合中的碰撞和超声振动两个键合阶段进行了仿真.通过引入键合界面单元变形量、接触率等参量,得出劈刀运动历程对键合界面变形的影响规律,进而也揭示了其对键合强度的影响.     

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－弯复合振动模式电超声换能器。     

环形振子的扭转振动等效电路及有限元模态分析

基于机电类比原理,对弹性薄圆环振子的扭转振动进行了研究,建立了圆环振子平面扭转振动的机电类比等效电路模型,从等效电路得出了其扭转振动频率方程及共振频率表达式,给出了薄圆环振子频率方程的数值根与其半径比的拟合关系曲线,通过有限元(FEM)模态分析表明,理论与FEM仿真结果符合较好,对环形扭转振子的工程设计具有参考价值.     

面向超声喷丸的纵弯复合换能器设计与分析

为解决当前超声喷丸枪在狭小空间内难以加工壁板的问题,设计了一种纵弯复合模态的夹心式压电超声喷丸换能器.采用COMSOL仿真软件,对换能器进行模态分析,计算得到纵振和弯振的谐振频率,并改变尺寸使换能器在2种模态下均呈现较大的振幅.采用多普勒测振仪对换能器工作端面扫频,纵振与弯振振幅分别为1.0和0.8μm,经匹配后振幅各增长了40%和50%.利用激光位移传感器测得2种模态下撞针振幅均可到达1.2 mm.同时,对2024-T351铝合金板件进行了超声喷丸成形试验,并采用X射线法对喷丸后板件中的残余应力进行了检测.超声喷丸成形试验和残余应力检测表明,板件喷丸后发生不同程度的变形,且板件中的残余压应力最大可达250 MPa,验证了纵弯复合换能器的有效性.     

低功率单轴超声驻波悬浮原理与实验实现

现有单轴式超声驻波悬浮由于未考虑超声振子的最优电声转化效率,通常需要辅助专门的功率放大器才能实现大功率声悬浮。本研究发展了一套利用交流阻抗法测定超声谐振子最佳工作频率的方法,并利用普通的声速测定仪,将超声谐振腔的共振频率与超声振子的谐振频率相匹配,实现了功率放大器不参与的毫瓦量级的两波节超声悬浮,为低功率超声悬浮的实现提供了新方案。     

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。     

硬脆材料超声辅助复合加工机床及其工艺研究

针对硬脆材料硬度高、脆性大、可加工性能差,采用普通加工方法难以进行复杂曲面加工的问题,提出了一种新型的复合加工机床结构,具有五轴铣削、超声辅助磨削和电火花加工等复合加工能力.提出了非接触式旋转超声辅助磨削加工方式并对原型装置进行开发,利用电磁转换式供电方法,实现超声电源和振动系统间的非接触供电,并对相关参数进行了设计.开发了基于复合加工的开放式数控系统,实现了放电粗加工、旋转超声辅助磨削加工和脉冲放电加工方法的集中控制、协调和融合.最后通过实验验证了机床的复合加工能力,证明了硬脆材料复杂形面的超声辅助加工能力.     

纵-扭同频复合超声振动变幅杆设计

为了在切削与焊接加工过程中获得超声变幅杆的纵-扭复合振动,本文通过对纵-扭转振动模式下的圆锥过渡阶梯形复合变幅杆进行理论分析,得出其纵-扭振动的共振频率方程以及振速放大倍数,并对复合变幅杆的三段长度进行控制,实现了纵-扭复合同频共振.利用有限元软件ANSYS对理论设计的复合变幅杆进行结构动力学仿真分析,结果表明有限元分析与理论计算结果吻合较好.     

纵振复合双足直线超声电机

为了有效提高超声电机的机械输出性能,研制了一种纵振复合双足直线超声电机.该电机由两个竖直纵振换能器和一个水平纵振换能器组成,水平纵振换能器上变幅杆末端小端面与竖直纵振换能器变幅杆大端侧面结合,且变幅杆为采用一整块硬铝合金加工而成的一体件.对电机的工作原理进行了分析,利用有限元方法对电机进行了设计与仿真,实现了电机两个基本振动模态特征频率的简并.采用多普勒激光测振仪对样机振动特性进行了测试,测试结果与有限元分析结果吻合良好.机械输出特性测试结果表明,样机最大速度为602 mm/s,最大推力达32 N.     

径向复合功率合成超声振动系统

对径向复合功率合成超声振动系统进行了研究.该系统由纵向超声换能器与变厚度剖面圆盘径向耦合而成.基于机电类比原理,推导出系统的楔形剖面圆盘径向振动等效电路及其共振频率方程,并得出其位移振幅放大系数的表达式,给出其第1、第2阶径向共振模式下振幅放大系数与其半径比的关系;探讨了圆盘振子第1、第2阶径向共振频率随其半径比的变化关系.理论及有限元结果表明：圆盘的位移振幅放大系数存在一个极大值,其第2阶共振模式比基频具有更大的振幅放大系数.对合成系统的共振频率进行测试,结果表明,理论与实验结果吻合较好.     

超声加工振动系统波动方程的定解分析

建立超声振动系统的泛定方程,结合线性和非线性边界条件,确定系统的定解.基于波动原理,确定指数型过渡复合变幅杆的泛定方程,设定线性边界条件求解分段线性的非线性方程,推导出指数型过渡复合变幅杆波节点位置和放大系数的一般公式;通过设定非线性边界条件确定系统的非线性动力学模型的定解.并用数据表明,该系统定解正确地表示了超声振动系统的动力学特性和复合变幅杆的波动性质,并为其他超声振动系统提供了理论依据和参考.     

耦合超声振动系统的辐射特性

研究了一种用于液体中的由纵向夹心式换能器和纵径尺寸接近的金属圆柱辐射器构成的新型大功率超声振动系统。通过表观弹性法获得金属圆柱纵径耦合振动的机电等效电路及共振频率方程。对耦合振动系统的辐射特性进行了理论和数值分析,并通过实验进行验证。研究表明:该振动系统的圆柱辐射器的耦合振动可等效为一维径向振动和一维纵向振动的复合,其通过耦合系数相互作用;适当选择辐射圆柱的几何尺寸,振动系统产生强烈的纵径耦合振动,从而有效地辐射大功率超声波。     

基于FEPG的压电复合结构动态问题求解

基于有限元程序自动生成平台FEPG,建立了压电类复合结构动态问题六个未知场的有限元控制方程,通过编写元件化程序,对纵弯超声电机定子的激振响应进行了求解,实现了对压电类结构动态问题的透明计算,结果表明该方程可以用于压电类问题计算,为研究压电陶瓷在大功率驱动下的非线性本构模型,开发求解超声电机压电复合定予问题的专用有限元程序奠定了基础.     

预压力对纵扭复合压电超声马达共振频率影响的研究

研究了预压力对超声马达共振频率的影响.通过对纵扭复合型压电超声马达运行机理的研究,分析了预压力与纵扭复合型压电超声马达纵扭振子输出压电应力协同作用的机理.理论和实验研究结果表明,纵纽复合型压电超声马达的共振频率随预压力增加而增加;马达预压力和共振频率存在正比关系.理论分析和实验测试结果符合较好.