利用振动改善FFF薄板抗拉性能的实验研究

熔丝制造成型(fused filament fabrication,简称FFF)技术因其操作简单、成本低廉且环境友好等特点,成为普及范围最广的一种快速成型技术,但由于逐层沉积的制造工艺,其产品质量很难与传统加工方式得到的零件相媲美。笔者将压电陶瓷片与FFF快速成型设备相结合,利用振动改善打印产品的机械性能。首先,利用压电陶瓷将普通FFF快速成型设备改装成振动式FFF设备;其次,制备施加振动前和不同形式振动后的拉伸样件,并完成拉伸实验;最后,通过对比不同样件的应力应变关系,分析了振动对FFF制品抗拉性能的影响规律。研究结果表明,利用振动能够显著提高FFF制品的抗拉强度和弹塑性能,并有效降低其各向异性特点。     

基于复合喷气压电驱动器的柔性机械臂振动控制

空间机器人和大型柔性空间结构在航天器调姿、变轨、外部扰动的情况下将引起振动问题,其低频大幅值振动将持续很长时间,这将影响航天器系统的稳定性和控制精度.为了快速抑制低频大幅值振动及残余振动,提出采用复合可控反作用力幅值的喷气式驱动和压电陶瓷驱动方案进行振动控制.进行基于复合控制的柔性臂系统动力学建模并给出控制算法.设计并建立柔性机械臂试验平台,构建气动驱动控制回路及压电驱动控制回路.进行基于压电陶瓷驱动器、喷气式驱动器及复合喷气和压电驱动器的柔性臂大幅值低频模态振动控制的几种方法试验比较研究.试验结果表明,采用的控制方案和方法既可以快速地抑制柔性机械臂统的低频大幅值振动,又明显地同时抑制高频和低频小幅值残余振动.     

单晶硅二维超声振动辅助磨削技术的实现

基于超声振动磨削能有效提高加工效率及加工表面质量的特性,通过设计具有伸缩和弯曲两种模态的压电陶瓷椭圆振子,实现了单晶硅二维椭圆振动磨削技术。对超声振子的振动特性进行检测,证实改变压电陶瓷两电极之间的交流信号相位差和电压幅值,可得到不同形状和振幅的椭圆振动。对单晶硅进行超声磨削与普通磨削的对比试验,结果表明二维振动磨削的磨削力大幅降低,表面粗糙度显著减小,表面质量明显提高,加工表面延性域去除比例增加。从而证实二维超声振动磨削方法能够实现高效率高质量单晶硅加工。     

复合式增材制造技术研究现状及发展

形性问题制约金属增材制造技术的发展与应用,复合式增材制造在解决制件形性问题方面效果显著。高度概括了复合式增材制造技术分类方式与主体类别;简要总结了增减材复合制造在制件成形精度和表面质量控制方面的研究进展和技术发展状况;重点评述了增等材复合制造技术类别、成形原理、制造特征和关键问题,以及在制件显微组织、应力状态、宏观性能调控方面的研究现状和主体结论;系统介绍了超声、电磁、激光三类特种辅助能场对增材熔池流动、结晶、固态相变的作用机制,以及特种能场作用下,增材层显微组织状态、力学性能、成形精度的演化规律;展望了复合式增材制造技术未来的发展趋势。     

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.     

增减材复合制造技术应用研究

增材制造技术能快速成型几何结构复杂的零部件,并能实现多种材料拼接制造,但该技术制造的零部件几何精度和表面质量不高。传统的减材制造精度高,表面质量好,能够弥补增材制造的上述缺陷。增减材复合制造技术兼二者优势取之。本文阐述了增材制造及增减材复合制造的概况,以齿轮泵腔体加工实例说明了增减材复合制造技术的工艺,总结了增减材复合制造技术的现状及不足,提出了增减材复合制造技术需解决的关键问题,便于深入研究。     

基于微喷技术的微胶囊制造实验研究

利用压电驱动器产生的低频振动，使微流道中的流体产生脉冲流动，通过微喷头实现微流体的数字化离散和喷射。通过控制振动的频率和微喷头的直径，可以实现微胶囊尺寸的数字化控制。利用悬浮交联微胶囊制备方法，以海藻酸钠包覆胰岛细胞进行了微胶囊制作实验，制造出了尺寸均匀的微米级尺度微胶囊。展望了基于微流体数字化的微胶囊制造技术的发展前景。     

基于压电陶瓷的轿车车身振动主动控制研究

基于目前汽车车内噪声控制标准和舒适性要求的提升,运用国内外在振动主动控制方面的研究成果,结合轿车车身自身的特点,利用压电陶瓷对轿车车身振动进行主动控制的研究。在对压电理论进行研究的基础上,设计了相应的控制系统,编写了振动采集控制程序,搭建了实验平台,并对某轿车车身进行了振动主动控制试验。试验结果表明,这种控制方法对轿车车身振动的控制是可行和有效的。     

陶瓷增材制造技术在齿科领域的应用现状

陶瓷材料因其生物相容性、化学稳定性、机械强度和美学特性而广泛用于牙科领域,以修复、替换受损或缺失的牙齿.但是,陶瓷产品在加工生产方面存在一些问题,需要对生产过程进行非常严格的控制,才能获得具有足够机械性能的牙齿件.增材制造是一项新兴技术,该技术能够以可持续、更经济的方式生产定制复杂的齿科产品.尽管增材制造前景非常光明,但目前陶瓷增材制造齿科材料的研究仍不足,需要做进一步的工作才能使其广泛应用于齿科领域,因此综述了陶瓷材料增材制造在牙科领域的应用现状,介绍了主要的可打印材料、最常用的技术以及应用案例,并总结了齿科陶瓷增材制造发展面临的挑战.     

陶瓷挤出和喷射增材制造技术研究进展

增材制造技术被认为是解决复杂结构陶瓷零部件制造的有效新途径之一.其由点-线-面-体累加成型的制造过程还为具有特殊宏微观结构的陶瓷零部件赋予了一体化的结构功能特性.综述了熔融沉积造型、挤出直写、喷墨打印以及粘接剂喷射等四种基于挤出或喷射成型原理的陶瓷增材制造技术的历史起源、工作原理、原材料制备以及打印工艺研究等内容,并结合研究实例探讨打印件性能与应用研究.通过不同技术的特点对比,提出目前陶瓷挤出喷射增材制造技术面临的主要挑战并进行了展望.     

基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化研究

由于激光增材制造装备具有多维度信息、多流程、多功能、多对象等人机交互特征,导致其人机交互效率低、舒适安全性差,直接影响制件成形质量的稳定性。基于此,提出一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法。依据双手垂直可达域的舒适性划分人机交互界面可达域等级,构建基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化模型。针对基于域模型构建的多决策变量界面布局模型求解问题,提出一种基于狼群-粒子群算法的混合智能求解算法,将狼群算法的奔走围攻行为机制引入粒子群算法,解决粒子群算法因种群多样性较低而导致计算结果容易陷入局部最优解问题。最后,以LDM4030激光增材制造装备为例,对其人机界面布局进行优化,并进行工效学仿真与眼动试验,结果表明：优化后的人机界面布局在舒适性、安全性以及界面的合理性上都优于原装备的设计,验证了该模型的有效性和可行性。     

压电能量俘获结构及其升频转换技术的发展现状

压电材料作为一种良好的机电换能元件,具有体积小、成本低、工作性能可靠等优势,但如何设计压电振子高效地俘获环境振动能,仍是本领域的关键技术难题。以定频式、调频式和宽频式三类典型压电振子为代表的结构共振频率匹配设计能部分解决上述难题,但面向环境低频、超低频振动能俘获,上述振子仍面临输出功率低、可靠性差等问题,途径之一是通过机械式升频转换技术将低频激励转换成压电振子的高频振荡,同时突破超低频压电元件功率密度低的限制。几类机械式升频转换技术被区分并简要介绍,重点阐述一种借助非线性系统内共振现象实现的机械升频转换方法。内共振升频技术具有激励加速度阈值低、升频转化能量损失少等优势,进一步拓宽压电振子领域内的机械式升频转换研究。     

超声振动辅助钻削技术综述

麻花钻钻孔是机械加工领域最为常用的孔加工方法。传统麻花钻钻孔加工中,特别是对一些难加工材料进行钻孔加工时,存在轴向力大、表面质量差等诸多问题。超声振动辅助钻削属于振动钻削技术的一种,即在钻孔过程中在麻花钻上施加大于15 kHz的高频振动,钻头的周期性振动改善了切削刃工作状况,可在一定程度上解决难加工材料制孔难题。介绍超声振动辅助钻削技术的分类、技术特点和系统组成的基础上,从动力学研究、振动断屑理论研究、切削力研究、精度及加工质量研究、在新材料上的应用和超声振动钻削装置六个方面论述了超声振动辅助钻削理论和技术的国内外研究进展。基于超声振动辅助钻削技术的发展现状,结合航空航天等领域难加工材料制孔技术的需求,从理论研究、超声振动系统开发完善、新材料工艺研究、专用超声辅助钻削机床开发以及超声振动辅助加工规范标准制定等方面指出了现有研究和应用中存在的问题并对未来发展趋势做以展望。     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

压电传感器在超声振动系统中的设计与应用

将压电原理用于实现超声振动系统的频率自动跟踪，在振动系统设计中加入压电传感片，压电传感片跟随系统振动，并产生感应电压，谐振时，感应电压达到最大值，搜寻感应电压最大值就能实现频率自动跟踪，压电传感器的设计可以采用四端网络法，该方法简单实用，为达到最佳灵敏度，应该尽可能让压电传感器靠近振动系统节面位置，压电传感器设计简单，实现容易，跟踪精度高，并且稳定可靠，还能同时用于实现对刀具有安全保护功能。     

压电振子及流体对泵近场噪声的影响

研究了压电振子的弯曲振动形变及振动辐射噪声.首先建立压电泵压电振子振动方程,导出弯曲振动形变函数;提出用微平面活塞振动理论简化压电振子振动模型,推导了近场声压理论计算方程及泵内流体对泵噪声贡献量方程;最后把理论计算结果与试验结果进行比较分析,分别得出在不同频率下压电振子及泵内流体对泵噪声贡献的大小.在输入频率为50 Hz时,泵噪声的理论值为45 dB,实际值为37 dB,泵内流体对泵噪声的影响较大,实际值与理论值的相对误差为21.6%;在输入频率为120 Hz时,泵噪声的理论值为61 dB,实际值为62 dB,泵内流体对泵噪声的影响较小,实际值与理论值的相对误差为1.6%,证明了本研究所提出理论的正确性.     

气动式振动台性能对比仿真研究

气动式振动台是一类重要的可靠性强化试验设备,然而早期的气动式振动台本身存在设计缺陷,这限制了该类设备在可靠性强化试验中的进一步应用,从而使得气动式振动台的改进及研发成为必然。振动台面是整个气动式振动台改进及研发工作中不可忽视的因素,它能直接影响气动式振动台的振动剖面与谱形,进而影响试验效率。本文以振动台面为研究对象,应用大型有限元仿真分析软件MSC建立了具有不同形式工程台面的气动式振动台有限元模型,通过模态试验分析结果验证了有限元分析模型的正确性和建模方法的合理性。在此基础上,仿真分析了不同形式气动式振动台的动力学响应,结合低频能量和均匀性指标,建立了气动式振动台的性能评价准则,客观地评价了各类不同形式台面性能的优劣程度,得到了性能较优的工程台面形式,旨在为气动式振动台的性能改善乃至自主研发工作奠定基础。     

压电式力传感器的低频补偿方法及实验验证

提出了一种压电式力传感器低频响应特性的补偿方法,该方法是在频域上完成的。首先,对压电式力传感器的输出信号进行后处理,将输出信号与补偿函数相乘即可获得补偿后的输出信号,其中,补偿函数是压电式力传感器放电时间常数的函数;然后,以P5H压电陶瓷片为例,分别对其施加已知的阶跃外力和低频简谐外力,并分别将补偿前后的测试结果与已知外力进行对比,从而实现对该方法的实验验证。验证结果表明:该方法可以对压电式力传感器的低频响应特性进行有效的补偿。     

微型压电单晶俘能器研究

建立了一曲梁压电单晶MEMS压电俘能器的分析模型.利用曲梁理论建立该矩形截面梁的动力学方程.采用ANSYS软件对该曲梁的结构参数进行了初步的分析.分析结果表明压电曲梁的第一阶谐振频率与其结构尺寸之间存在较复杂的关系.该仿真结果可为压电俘能器的设计提供参考.     

Dynamic modeling of oblique non-uniform piezoelectric MC in liquid with various percentages of glycerin in the presence of rough surface

One of the most useful applications of an AFM is imaging of biological particles in a liquid medium. The increase of the topography accuracy in a liquid medium requires accurate dynamic modeling of a Microcantilever (MC). This article investigates the accurate dynamic modeling of the non-uniform AFM piezoelectric MC with rectangular geometry in the amplitude mode in liquid medium for rough surfaces. To increase the accuracy of the modeling, the Modified couple stress (MCS) theory in the liquid medium according to the Timoshenko beam model has been used. Moreover, the differential quadrature (DQ) method has been used for solving equations, because in comparison with the other methods it has a high speed in solving equations and is accurate in the number of fewer elements. In addition, the accurate force modeling has been established by considering the shear forces caused by liquid on the sides of the piezoelectric MC by solving the Navier-Stokes equations, and by considering the hydrodynamic force, squeeze force and applied forces between the sample surface and the MC tip. The results illustrate that utilizing higher vibration modes affect the quality of rough surface topography with the step roughness in the liquid medium and increase the quality of surfaces topography in the tapping mode, especially in the second MC vibration mode. Moreover, it should be noted that the sensitivity of the MC vibration amplitude to the piezoelectric MC angle is higher in comparison with other investigated parameters.