智能杆致动器优化配置及扭振主动控制试验

针对智能杆系统中压电扭转致动器的优化配置问题,提出了一种由柔性薄壁杆、压电扭转致动器和电阻应变片传感器组成的智能杆系统,对智能杆的扭转振动进行了理论与试验研究。采用拉格朗日方程和假设模态法推导了智能杆系统的动力学方程,建立了系统的状态空间表达式。选取控制器的最小输入能量作为致动器位置配置的优化准则,运用遗传算法获得了压电扭转致动器的最佳配置位置,并构建了试验系统。试验结果表明,获得的最优位置是合理的,将致动器配置在最优位置并实施相应的应变反馈控制,控制器的输入能量最小,智能杆的扭转振动能得到有效抑制。     

压电式摩擦振动能量收集的试验研究与仿真分析

针对机械系统中普遍存在的摩擦振动现象,结合试验分析和数值模拟的方法,提出采用压电材料进行摩擦振动能量收集的新思路.本研究搭建了一种既能产生摩擦振动,同时又能利用压电材料将振动能量转化为电能的试验装置,摩擦学试验结果验证了利用压电材料实现摩擦振动能量收集的可行性.利用有限元软件ABAQUS对试验过程进行模拟,首先采用复特征值分析法对压电式能量收集器的响应特性进行分析,结果表明摩擦系统在法向和切向上出现的不稳定振动模态是实现摩擦振动能量收集的重要因素.采用瞬时动态分析法对摩擦系统的动力学响应进行模拟,结果表明瞬态分析能够从时域上很好地模拟试验过程,较大的法向载荷导致系统产生较强的摩擦振动,从而导致压电材料变形位移增大,进而输出较高的电压;摩擦系统存在一定的临界速度,使得系统能够产生最强的摩擦振动能量,并对外输出最大电压信号;进一步地,本研究建立起摩擦与压电相互耦合的二自由度数学模型,验证了摩擦振动能量收集的可行性,并定性分析了法向载荷和运动速度对系统响应的影响.以上研究结果能为实现摩擦振动的能量收集提供理论依据.     

预紧力对夹心式弯曲振动换能器振动特性的影响

由于理论计算的复杂,在夹心式弯曲振动换能器理论计算时通常不考虑螺栓预紧的影响,这样将导致理论设计出的换能器与实际换能器的振动特性存在偏差。以螺栓预紧的夹心式弯曲振动换能器的振动特性为研究对象,首先忽略螺栓作用计算得到换能器几何尺寸,然后利用有限元软件ABAQUS建立模型,考虑螺栓作用修正理论计算值,并对夹心式弯曲振动换能器在不同预紧力下进行模态仿真。分析夹心式弯曲振动换能器在施加不同螺栓预紧力状态下共振频率,节点位置,重点分析前后盖板以及压电陶瓷的相对应力分布,认为预紧力变化对频率影响较小,节点位置没有影响,但对换能器前后盖板以及陶瓷片应力集中影响较大。预紧力作用很大程度上影响夹心式弯曲振动换能器的阻抗值,通过阻抗分析仪测量不同预紧力情况阻抗值,发现阻抗值随预紧力的增大而减小。由此可根据换能器阻抗特性及应力集中情况得出夹心式弯曲振动换能器最佳预紧力的值。     

基于摩擦自激振动升频效应的超低频振动能量收集

低频振动在环境中广泛存在,针对目前低频振动能量收集效率低的问题,提出将外界低频振动转化成摩擦系统的自激振动,实现低频振动到高频振动的升频转换,以达到提高低频能量收集效率的目的 .为此,首先建立了集总参数模型,从理论上阐明低频振动能量收集方法的可行性,并分析模拟了该模型压电电压与功率的输出特性;其次分别设计了往复摩擦自激振动能量收集试验和压电悬臂梁碰撞能量收集试验,对比分析将低频振动转化为摩擦振动能否提高压电输出功率.试验与仿真结果表明,利用摩擦自激振动能够显著提升振动频率.摩擦自激振动电压幅值随着激励频率的增大而增大,与碰撞电压相比,其电压幅值较低,但是频率得到了大幅提升.由于频率的提升,压电振子的能量输出大幅提升,使得超低频振动能量收集性能明显提高.     

超声调制电加工振动系统研制及试验

根据超声调制电加工振动系统对换能器的要求,设计PZT陶瓷片组合的压电换能器,利用ANSYS分析换能器、变幅杆及工具电极的频率、振幅等参数变化规律;进行变幅杆与工具电极设计,利用数控车削、微细放电及微细线切割制作变幅杆与工具电极;通过超声振动系统的振动特性测试,验证超声振动系统的稳定性及工具电极设计的合理性;进行多种微结构超声调制电加工试验,验证超声电加工系统的可靠性及在微结构加工中精度好、效率高的技术优势。     

超声电解复合加工装置的振动系统优化设计

为设计精密超声电解复合加工深小孔装置的振动系统,设计了1/2波长超声振动系统和以局部共振理论为指导的工具系统。基于波动方程,分别建立1/4波长超声换能器和变幅杆的解析模型,得到换能器和变幅杆的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的变幅杆和超声振动系统进行动力学分析、压电分析和优化设计,得到了变幅杆和超声振动系统的优化模型。分析结果表明,有限元法对变幅杆和超声振动系统的设计制作具有指导意义,缩短了设计周期,降低了设计成本,所设计的超声振动系统具有良好的性能。     

三稳态压电能量采集器的动态特性与实验

为了探究三稳态压电振动能量采集器的动力学特性,以磁-机-压电耦合型三稳态压电振动能量采集器(tristable piezoelectric vibration energy harvester,简称TPVEH)为研究对象,利用磁荷法、力平衡和基尔霍夫定律分别建立了采集器末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型和系统集总参数动力学模型。仿真分析了磁铁间距、激励加速度幅值和频率等参数对采集器动力学特性和采集电压的影响。研制了三稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果表明,随着激励加速度幅值增大,能量采集器依次经历单稳态、双稳态和三稳态3种运动状态,且三稳态运动时的工作频带和输出性能(位移、速度和采集电压)比双稳态和单稳态时要高。     

超声振动钻削中局部共振现象的研究与应用

通过建立数学模型 ,分析了超声振动钻削声学系统的动力学规律 ,探讨了工具杆局部共振现象的机理 ,得出了当工具杆发生局部共振时 ,变幅杆与工具杆联接处为位移节点且整个系统处于谐振状态的结论 ,并推导了超声波发生器可调频率范围与刀具杆磨损率的关系     

径向肋可展开天线动力学特性试验研究

研究包带预紧力和限位间隙对天线收拢发射状态动力学特性的影响。设计并加工径向肋可展开天线的简化模型并进行振动试验,试验控制的变量为包带预紧力和限位间隙的大小,考察结构的基频和响应与自变量的关系。试验证明,包带预紧力在正常范围内对天线的基频没有影响,增加预紧力可以小幅度降低结构响应。肋条与限位盘的间隙大小与肋条的一阶固有频率和响应大小无关,且随着振动量级增加,肋条的共振峰后移。     

基于压电阻抗频率变化的螺栓松动检测技术

针对螺栓松动问题,提出基于压电阻抗频率变化的螺栓松动监测方法。在螺栓头部安装压电材料,采用材料试验机拉伸螺栓来精确模拟螺栓所受预紧力;研究了洁净环境和油污环境中,压电材料导纳谱中的峰值频率随螺栓预紧力的变化。结果表明：随着螺栓预紧力的增大,压电导纳谱中的峰值频率降低,且两者间具有较好的线性关系;油污对测试影响较小。     

基于接触有限元的齿轮-转子系统动态特性分析

考虑齿轮-转子系统各部件的弹性,基于接触有限元理论提出一种能够高保真模拟齿轮副连续啮合过程的动态特性分析方法。该方法利用实体有限元进行系统建模,可体现各部件的结构特征;基于接触有限元进行啮合过程仿真,可模拟系统的时变刚度、啮合冲击等真实激励进而得到全面准确的响应信息。以一直齿轮-转子系统为例进行啮合过程的数值仿真,利用中心差分法求得系统各动力学参量在时域上的响应,通过中心距偏差、动态传递误差、动态接触力等参数分析系统的弯曲振动、扭转振动、齿轮副的啮合特性及其耦合关系。研究结果表明：考虑各部件尤其是转子的弹性后,系统的非线性振动特性显著,齿轮副啮合存在明显的双边冲击及脱啮现象。     

柔性自适应桁架结构的振动控制方法实验研究

为提高结构对外部环境的抗干扰能力,构造了空间柔性自适应桁架结构,并对其主动控制进行了研究。通过加速度传感器测量位移的实验,建立了由dSPACE数据采集与处理系统、压电传感器、压电作动器、桁架结构和微机实时测控组成的实时计算机控制系统。基于自适应桁架结构的有限元理论,采用改进的二次积分力反馈控制方法,研究了空间柔性自适应桁架结构的振动主动控制问题。通过正弦激励进行了实时控制实验,给出了控制前后节点18x方向的位移振幅抑制变化情况及功率谱响应曲线。实验研究结果表明,该控制方案对空间柔性结构的低频大幅振动有很好的控制效果。     

纵弯转换超声振动雾化系统的雾化特性研究

提出了一种由夹心式纵向振动换能器与弯曲振动圆盘构成的纵弯转换模式的超声振动雾化系统。弯曲振动圆盘的周边与变幅杆的端部相连接,并在变幅杆纵向振动的激励下产生弯曲振动。受圆盘弯曲振动的作用,液体在圆盘的端面上实现雾化。通过理论分析和实验对这一振动雾化系统的振动特性、辐射阻抗和声场进行了研究。结果表明：该系统比传统的纵向振动雾化系统具有更高的功率输出能力,并且可以使液体雾化后具有更强的指向性和作用能量。     

气压砂轮抛光工具振动稳动性分析

针对气压砂轮光整加工过程中的振动问题,对气压砂轮抛光工具进行了振动稳动性研究;通过确定抛光工具结合面的等效动力特性参数,建立结合面的动力学模型,进行了有限元模态分析,得出了气压砂轮抛光工具在不同工况下的固有频率,发现抛光工具的主要振动部件为保持架和连接板;在有限元模态分析基础上搭建了模态测试平台,进行了实验模态验证;对比有限元分析结果和实验验证结果,分析了误差产生的原因;根据有限元分析和实验测试结果,对振动部件连接板进行了局部增强,优化了抛光工具结构;研究结果表明优化后的抛光工具能有效提高其振动稳定性,满足光整加工需求。     

Analytical investigation on axisymmetric free vibrations of moderately thick circular functionally graded plate integrated with piezoelectric layers

In this paper, a free vibration analysis of moderately thick circular functionally graded (FG) plate integrated with two thin piezoelectric (PZT4) layers is presented based on Mindlin plate theory. The material properties of the FG core plate are assumed to be graded in the thickness direction, while the distribution of electric potential field along the thickness of piezoelectric layers is simulated by sinusoidal function. The differential equations of motion are solved analytically for two boundary conditions of the plate: clamped edge and simply supported edge. The analytical solution is validated by comparing the obtained resonant frequencies with those of an isotropic host plate. The emphasis is placed on investigating the effect of varying the gradient index of FG plate on the free vibration characteristics of the structure. Good agreement between the results of this paper and those of the finite element analyses validated the presented approach.     

超声纵—扭振动铣削系统的研制

研究了超声声学系统,斜槽式变幅杆形成纵—扭振动的基本原理,对变幅杆的振动形式进行仿真,对超声纵扭振动装置系统进行了研制和测试。试验结果表明:斜槽式变幅杆能有效地将纵向振动转化为纵—扭振动。研制的超声纵扭振动系统匹配特性好,振动稳定性高,能够满足加工要求。     

非接触压电微马达的仿真与实验研究

提出了一种基于四区和八区2种激振方式的新型非接触压电微马达,并进行了振动模态的有限元数值模拟。利用ANSYS有限元软件对定子进行模态分析,并用激光测振仪对四区和八区2种激振方式下的定子进行位移扫频和振型测试,得出:最优驱动频率分别为34.4 kHz和46.3 kHz,相应的模态分别为B₂₁和B₂₂,二者结果吻合较好。对微马达的输出性能进行了实验研究,结果表明:三叶片和六叶片转子在八区最优模态激振下转子的转速约是四区的2倍。说明了增加定子的分区数不仅改变了定子的最优驱动频率而且能够明显提高转子的转速。而且当A-B间相位差从90°调谐到270°时,行波的传播方向发生了改变,从而实现了转子的换向。实验还表明,转子的正反转的转速基本一致。     

圆锥型压电换能器的动态设计与实验研究

对一种圆锥型夹心式压电换能器进行了动态设计与实验分析。利用有限元分析方法对换能器进行了动态设计,给出了该类压电换能器有限元建模方法,分析了换能器主要结构尺寸对振动模态、固有频率的影响。依据有限元分析结果,提出了一种基于数值分析的换能器优化设计方法,简化了设计过程。在数值分析的基础上,设计、研制了圆锥型夹心式压电换能器,并对压电换能器进行了性能测试。并将实验测试数据和有限元分析结果进行了对比,测试结果验证了数值分析与设计方法的合理性。     

JF系列某型电连接器组件端子可靠性研究

深入研究和分析了JF系列某型电连接器的组件端子在随机振动应力作用下的接触失效情况,由组件端子的失效机理及其运动状态构建出理论力学模型,考虑理论模型分析及实际失效情况,提出组件端子在随机振动作用下的可靠性增长方法。构建JF系列某型电连接器的组件端子插拔力的数学模型并对插拔力进行了分析,确定了插拔力的变化趋势及各因素之间的关系。参照相关手册确定了组件端子插拔力的取值范围,得出在取值范围内振动应力作用下组件端子接触失效随插拔力的增加而降低的结论。建立JF系列某型电连接器单针孔接触对的有限元仿真模型,并利用此模型模拟了电连接器接触件的插合与分开过程,得到接触面最大和最小插拔力时的应力和应变分布图以及随时间变化图。     

基于动态电磁力的主动式动平衡测量方法的研究

动平衡机在测量大质偏类工件时,由于不平衡量较大,振动信号往往会超出测量系统的线性范围而造成测量误差偏大。为了提高动平衡测量精度,提出了一种采用电磁力产生的同频振动抵消大部分初始振动,从而减小簧板振动量,保证系统线性度的动平衡测量方法。讨论了该方法的基本工作原理,建立了电磁力装置的磁路模型;采用有限元建模对电磁力的可控性进行了研究,并分析了气隙、温度等因素对电磁力的影响;最后介绍了测量控制系统和控制策略。动平衡测量实验表明,该测量方法能够有效地提高大不平衡量工件的动平衡测量精度。