热超声键合压电换能器的动力学特性

基于有限元方法和试验测试,研究了芯片封装用压电超声换能器的动力学特忡。借助ANSYS压电耦合和非线性接触分析功能,对换能器自由和约束状态下的振动特性进行了分析。探讨了超声能量在空间域、时域和频域的传递规律。由模态分析得到换能器的振动形式,通过谐响应分析提取其在正弦电压激励下的振动信息,经瞬态分析获得换能器的瞬态响应。结果表明,螺栓径向尺寸和预紧力影响换能器的模态分布和动态特性,压电晶堆加载电压的频率影响超声能量传递特性。通过键合试验考察了焊点质量与螺栓径向尺寸的关系。分析和试验结果为换能器设计和键合工艺优化提供了指导。     

高频精密输送振子多驱动源激振幅值一致性实验测试

基于压电驱动原理,提出用于物料振动精密输送装置的高频压电输送振子。剖析高频压电振子输送机制,制作了压电输送振子。通过实验,对压电输送振子激振体采用多驱动源进行驱动输送振幅一致性进行测试分析,结果表明:在同一测试条件下,驱动电压为120 V时,4组驱动源压电陶瓷片单个激振谐振频率分别为34. 761、34. 759、34. 760和34. 760 k Hz,示波器电压峰-峰值分别为22. 4、22. 6、22. 4和22. 4 V。4组驱动源激振频率和电压变化波动很小,对压电振子输送性能几乎没有影响。驱动源单独激振时压电振子输送幅值基本保持一致,为物料振动输送装置高频压电振子激振源的设计提供了参考。     

基于Matlab压电超声换能器匹配电路的研究

为了使超声振子获得良好的振动效果,必须设计高效的匹配电路。对单个电感、电容的串联和并联匹配电路进行了研究。利用等效电路法推导出匹配电路的阻抗公式,根据该公式,采用Matlab平台仿真得到不同参数的各匹配电路阻抗特性曲线。通过分析阻抗特性曲线得出匹配电路及匹配参数对系统谐振频率、阻抗及机电耦合系数的影响规律。实验结果表明:仿真结果与实验结果一致,所得结论为压电换能器匹配电路的设计提供了理论依据。     

小型方柱压电陶瓷电机的设计及性能

设计了一种小型方柱弯曲旋转压电超声电机,即摇头式压电陶瓷超声电机.该电机采用带圆孔的金属方柱作为电机的定子部分,并在方柱的4个垂直表面分别粘贴沿厚度方向极化的压电陶瓷片,其外形尺寸小于6 mm×6 mm×10 mm.利用有限元分析软件ANSYS对电机的工作模态进行了模拟计算,得到金属方柱定子的一阶弯曲振动频率为125.5 kHz;并对其工作状态进行了谐响应分析,得到X(Y)向、Z向振幅,由此计算得到定、转子之间的最优接触角,约为24.5°.采用激光多普勒测振仪(Polytec 300-F)测量了电机的振动谱特性,测得一阶弯曲振动发生在129.6 kHz处,并观察到两个节面位于全长的1/4及3/4处,实验与有限元仿真结果基本一致.讨论了不同厚度陶瓷片及金属方柱圆孔孔径大小对电机输出特性的影响,确立了小型方柱电机的尺寸设计标准.     

超声波椭圆振动装置设计及其振动特性控制

基于PZT-8陶瓷晶片的压电效应和超声波声学特性,设计制造了超声波换能器和变幅杆。根据椭圆轨迹形成机理,搭建了超声波椭圆振动装置,分析了两相激励电压值和相位差与椭圆形状的关系。实验与测试结果表明:超声振子的谐振频率符合设计要求,单向振动轨迹为正弦谐振曲线,两振动系统运动叠加形成椭圆轨迹;根据特定加工条件调整装置激励电压和相位差,可控制椭圆振动轨迹的形状。     

斜齿轮的参数化建模及有限元模态分析

为提高斜齿轮设计的效率,提高其工作的可靠性,避免斜齿轮在传动系统中产生共振。采用了三维造型软件Pro/E实现斜齿轮的参数化建模,采用ANSYS有限元软件对斜齿轮进行有限元模态分析,研究斜齿轮的固有振动特性,得到了斜齿轮的低阶固有振动频率和主振型。所得的结论:斜齿轮的参数化建模,提高了斜齿轮设计的效率;模态分析得到的斜齿轮的低阶固有振动频率和主振型,反映了斜齿轮的动力学性能,在齿轮系统的设计中使工作频率远离齿轮的固有频率,避免发生共振,同时也为斜齿轮系统的动态响应计算和分析奠定了基础。     

大振子压电泵模拟血液泵送研究

设计了一种单腔大振子被动阀压电泵,压电振子直径为70 mm,厚度0.6 mm,采用伞形橡胶阀厚度为0.3 mm,直径为10 mm。在理论分析的基础上,验证了结构输出流量的合理性。利用浓度90%的甘油水溶液模拟黏度234.6 mPa·s血液介质,测试了不同工作频率下单腔大振子压电泵输出流量及压力。试验结果表明:在输入电压为110 V正弦交流电压,当电源信号频率为210 Hz时,得到流量最大值为412.5 mL/min,在当电源信号频率为110 Hz时,得到压力最大值为1.729×104Pa。试验结果为单腔大振子压电泵血液输送研究提供了参考。     

超声辅助电火花加工装置的研制及其振动特性研究

针对电火花加工过程中排屑不畅及容易拉弧、短路的问题,提出了基于工具电极振动的超声辅助电火花加工方案。设计了超声辅助电火花加工装置的结构形式,通过APDL建立有限元模型进行模态分析,确定出使用夹心式压电换能器的轴向纵振模态,着重探究了干模态和湿模态对谐振频率的影响;随后进行谐响应分析,研究激励电压频率对振幅输出特性的影响规律;最后进行了装置的制造及装配,测试了其阻抗特性及振型,并最终标定出其电压-振幅输出曲线。基于平台开展了电火花试加工实验,验证了超声辅助电火花加工方案的可行性和有效性。     

安装端面对换能器谐振性能的影响

在换能器的设计过程中,用来安装换能器的端面往往被设计者忽视.文章从半波长换能器的等效电路出发,利用机电类比方法,推导出带安装端面换能器四分之一波长振子的输入电导纳的表达式和频率方程,并讨论了安装端面对换能器谐振性能的影响:即随着安装端面长度和直径的减小,换能器的谐振频率下降,要使换能器处在最佳的谐振状态,应根据安装端面的尺寸相应调整前端盖长度;同时按照功率超声振动系统的原理和要求,设计了一套复合纵向换能振动装置,并依据研究结果设计制作了超声换能器,结果表明换能器在设计频率下工作正常,验证了设计的正确性.该研究结果为换能器优化设计和使用提供了理论依据.     

永磁同步电主轴的电磁噪声分析

为了提高永磁同步电主轴的加工精度、减小振动、降低其电磁噪声,考虑谐波磁动势的影响,推导永磁同步电主轴气隙磁密的解析表达式,提高了永磁同步电主轴径向磁密的计算精度。采用解析法计算径向磁密及其谐波,利用有限元法求解径向电磁力。建立该永磁同步电主轴的三维模型并进行模态分析以及谐响应分析,实测了电主轴的振动加速度。将模型电磁力频率以及模态分析结果与实测振动加速度频谱进行对照,结果表明径向电磁力是引起振动的主要原因,共振是产生噪声的主要因素。通过对永磁体结构的优化,减小了永磁同步电主轴的径向电磁力。通过噪声仿真分析,验证了电主轴结构优化后噪声的降低。     

Development of novel ultrasonic transducers for microelectronics packaging

Novel high-frequency ultrasonic transducers have been developed in order to provide faster, more repeatable and stronger microelectronics bonding technology, and fine-pitch packaging can be accomplished by these transducers. The analytical model of the transducer system is established on the basis of electromechanical equivalent circuitry theory, vibration theory and wave theory, which lays the foundation for determining the initial topological information of the ultrasonic transducer. By use of finite element method (FEM), the dynamic characteristics of components are investigated. The resonance frequency, vibration displacement nodes and rule of ultrasonic energy transmission are acquired by making modal and harmonic analysis. Through optimum design by considering the piezoelectric effect, the dimensions of ultrasonic transducer have been gained finally. The prototyped transducer is tested through the impedance analyzer and laser Doppler vibrometer, which proves remarkable resemblance with the theory and FEM. The experimental results also show that there are no undesirable vibration modes around the working frequency, thus it becomes convenient for the vibration control.     

压电陶瓷直线驱动器的设计与实验研究

提出一种新型的可直线运动的压电陶瓷驱动器.驱动器选用圆环形的压电陶瓷(PZT4),其外径10 mm,内径4.5 mm,厚0.8 mm,陶瓷表面均匀分成4个扇形电极区,以"正、正、负、负"沿厚度方向极化.该驱动器定子采用棒板结合式结构,一个中轴的两端分别连接了两个对称的圆形平板,圆板与中轴相互垂直.两片陶瓷分别粘接在定子的两圆形平板外侧,对定子激振形成两圆平板的交替式跨步直线运动.驱动器整体外径12 mm,长度10.6 mm.采用有限元方法对驱动器的运动模态进行了仿真,通过谐响应分析计算了驱动器在X向和Y向的振幅,分析了驱动器的运行原理.实验结果表明:驱动器最佳工作频率在13.15 kHz左右,驱动电压100 Vo-p时驱动器的最高运行速度为34 mm/s.该驱动器在小载荷、高精度精密定位等场合具有很好的实用化前景.     

基于压电驱动的液压放大盲文触点设计与试验

利用液压放大原理实现较好的输出性能,设计一种基于压电驱动的液压放大柔性盲文触点装置。说明盲文触点装置的结构及工作原理,并对液压放大单元进行理论分析及参数化设计。利用MATLAB仿真分析得出位移放大倍数与流体腔的直径和高度的关系,利用激光测微仪测量压电振子和柔性薄膜触点在不同驱动电压下的输出位移,试验与理论分析相吻合,验证了理论分析的正确性。最后对装置进行测试,结果表明：当流体腔直径为20 mm、腔高为3 mm、充水量为0.9 mL、共振频率为317.5 Hz时,位移放大比为4.16,柔性薄膜触点位移为0.226 mm,可供盲人感知字符,验证了用压电驱动液压放大方式构造盲文柔性触点是可行的、有效的。     

四边简支共固化复合材料阻尼结构的动力学性能研究

嵌入式共固化复合材料阻尼结构具有阻尼性能优良、抗老化、不脱落、耐疲劳等优点,在设施农业、机床制造业、航空航天、建筑等技术领域具有广阔的应用前景。应用模态应变能法研究了共固化复合材料阻尼结构各层的应变能,并计算了结构的一阶模态国有频率和损耗因子,得到了一阶固有频率和损耗因子随阻尼层厚度变化的规律。结果表明：当薄板总厚度不变时,增加阻尼层的厚度可以使一阶固有频率减小,模态损耗因子随着阻尼层厚度的增大而增大,阻尼层较厚时,一阶固有频率和模态损耗因子对阻尼层厚度的变化不再敏感;当复合材料层厚度不变时,一阶固有频率随着阻尼层厚度的增大而减小,增加阻尼层的厚度可以使损耗因子增大,阻尼层厚度较厚时,阻尼层厚度的变化对一阶固有频率和损耗因子的影响较小;当薄板总厚度不变,较复合材料层厚度不变,阻尼层较厚时对损耗因子的影响更小。     

基于谐响应分析的液压挖掘机电动化改造中电机减震结构的动态特性研究

电动液压挖掘机工作时的高频振动主要是由电机的振动引起的。为了减缓电机引起的振动,在电机安装底架与挖掘机机架连接处安装主副圈式硬质橡胶减震垫。为了确定减震垫的厚度和直径对底架谐振频率以及谐振振幅的影响,利用SolidWorks软件对底架结构进行三维建模,并利用ANSYS Workbench软件对模型进行谐响应分析,分别研究减震垫的厚度和直径对底架振动变形情况的影响。结果表明:减震垫厚度越大,谐振振幅越大,谐振频率越小;减震垫直径越大,谐振振幅越小,谐振频率越大。在当前载荷条件下,得出减震垫适宜的厚度范围为22～26 mm,直径范围为85～90 mm。研究结果为挖掘机电动化改造中动力结构减震垫的选型提供了一定的依据。     

基于统计能量法的组合式金刚石圆锯片声压级研究

组合式金刚石圆锯片在进行硬脆性材料加工时容易产生振动并辐射噪声,基于统计能量法(SEA)建立花岗石锯切模型,考虑系统实际工程中的模态密度、内损耗因子、约束、激励及辐射区等条件,对组合式金刚石圆锯片噪声辐射水平进行频域历程的定量估计,并与现场实测结果进行对比。结果表明:基体外径460 ～1584 mm、厚度4.0 mm的9片组合式金刚石圆锯片的高频区声压级范围为88.3～102.3 dB,其峰值在高频区4000 Hz处;且1～5片组合式金刚石圆锯片的高频区声压级范围为79.5～99.2 dB,声压级随组合片数增加而不断增大,但整体递增幅度随片数增加而减小;厚度3.5～5.5 mm的组合式金刚石圆锯片的高频区声压级范围为86.1～104.7 dB,声压级随组合片厚度增加而不断增大,且4000 Hz峰值处的声压级有5.7 dB的差值。试验和模型结果较为吻合,证明了所建立的统计能量分析模型对锯片高频噪声声压级计算的可信性。      

基于超声波悬浮支撑的高速电机的设计

设计了利用单项支撑转子超声波悬浮的高速电机,采用压电换能器、永磁同步电机主轴,换能器辐射端面与主轴悬浮支撑帽均采用锥度相同的圆锥形结构,以保证主轴高速旋转时高度自动定心。测试结果表明:当超声波电源输出功率在500 W时,主轴转速达到20 000 r/min以上,悬浮间隙超过100 nm,大于两接触面粗糙度总和,主轴运转平稳,无接触摩擦噪声,不存在电磁耦合所导致的转矩波动和径向振动问题。     

Thickness measurement approach for plasma sprayed coatings using ultrasonic testing technique

The special ultrasonic testing system has been developed for thickness measurement of plasma sprayed coatings. The ultrasonic immersion method was used to obtain stable coupling condition and avoid other disadvantages of contact method. Spherical acoustic lens were designed to focus ultrasonic beam so as to improve beam directivity and concentrate ultrasonic energy. To increase testing precision and avoid mussy wave signals, moderate pulse width and frequency of the transducer has been selected. The displacement of transducer in X-Y-Z directions was precisely manipulated by step-controlled system to insure the accuracy of focus length and repetition of measurement. Optimized testing conditions (with the transducer of center frequency of 10 MHz and crystal diameter of 8 mm, focus length of 9.5 mm, diameter of focal column of 0. 1 mm and length of focal column of 0.27 mm) were selected to determine the thickness between 285 -414 μm of ZrO2 coatings plasma sprayed on the nickel based superalloy. The frequency interval of the periodic extremums in ultrasonic power spectra decreases with increasing coating thickness. The ultrasonic results accord with those of metallographical method.