复合管功率超声压电换能器的径向振动特性

在纵向复合压电超声换能器基础上,提出并研究带预应力外壳的径向复合管压电超声换能器的径向振动特性。换能器由径向极化薄壁压电陶瓷圆管与预应力金属圆管外壳径向复合而成。依据机电类比原理,建立起复合系统的径向振动等效电路,并给出其径向振动共振频率方程。结合数值计算例,探讨换能器的共振和反共振频率以及有效机电耦合系数与预应力圆管半径比之间的关系。设计制作4个径向复合管压电超声换能器样品,通过试验测量换能器径向振动共振和反共振频率。结果表明,换能器径向共振频率的理论值与测量结果符合较好,误差小于5%。     

镶拼式复合压电超声换能器的径向振动特性

对一种镶拼式复合压电超声换能器的径向振动特性进行分析。该镶拼式复合压电超声换能器由弹性内芯、矩形压电陶瓷晶堆环组及金属预应力管径向复合而成。采用压电陶瓷晶堆,可大幅提高换能器的功率容量及有效机电耦合系数。依据机电类比原理,得出换能器的机电等效电路和共振频率方程;探讨换能器的第1、2阶共振和反共振频率及机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系,并进行有限元仿真分析和试验测试。研究表明,换能器第1阶径向共振及反共振频率随其内芯内径及预应力管外径增大而降低;第2阶共振频率随内芯内径增大存在极小值,但随预应力管外径增大而下降,并且第2阶共振模式的有效机电耦合系数较高。对换能器共振频率的测试和仿真表明,理论与试验及仿真结果相符合。     

四分之一波长夹心式压电超声换能器的设计研究

阐述了四分之一波长夹心式压电超声换能器的结构特点,对其机电振动特性进行了理论分析,得出纵向振动下换能器的机电等效电路图,给出了频率方程,并设计出一个换能器.使用有限元仿真软件ANSYS对换能器进行模态分析,结果显示其纵向振动时的同有频率与理论值十分接近,验证了理论推导的正确性.     

复合盘压电超声换能器的径向振动频率方程

提出并研究一种复合盘压电超声换能器的径向振动特性。依据机电类比原理,建立复合系统的径向振动等效电路,并推导出其径向振动频率方程。数值计算表明,当换能器半径比一定时,对给定材料换能器径向共振频率与压电晶片直径的积为常数。此外,径向复合换能器不满足传统的“半波长”级联规律,必须进行整体设计。作为算例,给出常用材料钢、铝和钛与PZT-4复合压电超声换能器的径向共振频率常数与其半径比的拟合关系曲线。试验加工两个径向复合压电超声换能器,并测定其共振基频。结果表明,换能器谐振频率误差小于3%,能够满足工程应用需要。     

径扭复合模式盘形压电超声换能器

提出一种新型的斜缝式结构径扭复合模式振动盘形压电超声换能器,并对其径扭复合模式振动进行了理论和试验研究。通过对斜槽处应力的分解,引入两个机械转换系数,依据机电类比原理,建立起换能器的径扭复合模式振动耦合机电等效电路模型,从等效电路得到换能器的径扭复合振动频率方程,探讨狭缝的斜角对换能器共振频率的影响,数值计算表明换能器共振频率随斜角增大而降低。试验加工三个不同斜度狭缝的换能器,并对其共振频率进行了测试和有限元法模态仿真计算,结果表明,理论与仿真值及试验结果吻合较好。     

复合弯曲振动压电换能器及振动分析

在考虑双迭片之间的相互耦合作用的基础上,研究了自由边界条件下的双迭片弯曲振动复合压电换能器的设计方法。从压电方程和弹性力学的运动方程出发,推导出了自由边界条件下的复合压电振子的严格频率方程,并利用有限元软件进行了仿真计算。最后,加工了数个换能器,对其频率及振幅作了测试。结果表明:理论计算频率与实际测试频率相符,可以依据此理论计算设计实际用弯振换能器。     

用CFD方法研究具有通用膜厚方程径向轴承的动压特性

应用CFD软件FLUENT和COMSOL Multiphysics对具有通用径向方程的径向轴承建立有限元模型,并进行了三维数值仿真模拟,得到了动压径向滑动轴承内部的压力场分布,通过编程计算出雷诺边界条件下的承载力及相关参数。比较FLUENT和COMSOL Multiphysics的计算结果与数值分析的计算结果可知,对于具有通用型线方程的非圆弧轴承和圆轴承,FLUENT和COMSOL Multiphysics与数值分析计算的径向轴承动压特性一致,即非圆型线轴承的承载力大于圆弧型轴承的承载力,验证了通用膜厚方程理论的正确性。     

压电驱动的超声悬浮精密轴承静动态承载特性

为研究超声悬浮轴承的静、动态承载特性,设计了一种压电陶瓷驱动的全包围结构超声悬浮轴承。分析了气体挤压膜润滑承载机理,在等温隔热条件下,根据牛顿流体的气体动力学理论,建立了描述轴承启动阶段及支撑回转体稳定旋转阶段气膜压力的静、动态雷诺方程。采用有限差分法并利用MATLAB自定义函数的功能,对超声悬浮轴承的静态及动态承载力进行了数值计算。为验证理论计算的正确性,通过轴承样机自悬浮实验验证轴承悬浮特性的理论计算结果,得出在其谐振频率下,相同结构尺寸及悬浮参数的轴承静态承载力理论计算值与测量值之间的误差为8.33%;在挤压数为100,2～5μm合理初始间隙下,动态悬浮力理论计算值与实验测量值相吻合。考虑样机结构特性引起的能量转换误差及实验环境因素影响,误差在合理允许范围之内,验证了理论分析及计算的正确性,对超声悬浮轴承的理论研究及设计具有一定的指导意义。     

挤压膜轴承静态承载特性研究

为研究超声悬浮轴承的静态承载特性,设计了一种径向包容式超声悬浮气体挤压膜轴承。在分析挤压气膜润滑悬浮机理的基础上,利用曲线拟合方法求解挤压气膜模型曲线和厚度方程,根据黏性气体动力学理论建立了描述挤压气膜压力分布的Reynolds方程。采用有限差分法对挤压气膜的压力方程进行离散与差商替换,利用MATLAB自定义函数的功能对离散后的挤压膜方程进行数值计算,对气体挤压膜轴承的悬浮力进行了仿真并通过试验验证了理论分析的正确性。     

轴向柱塞泵的模态仿真

以斜盘式轴向柱塞泵作为研究对象,运用有限元分析的方法,对其施加满足实际工况的约束,在计算机容量允许的情况下,选择精度更高的单元和划分更细的网格密度,计算出柱塞泵的固有频率以及模态振型.为了验证有限元法计算结果,又通过实地的振动试验,具体测出了柱塞泵的共振频率,验证了有限元计算结果的正确性.利用经过验证的有限元模型,在计算机上作结构改进仿真设计,找到提高柱塞泵共振频率的措施.通过多种方案比较,本文采用将柱塞泵前端的圆柱滚子轴承改成深沟球轴承,可以实现在不改动柱塞泵其他零件尺寸的前提下,提高柱塞泵的模态频率,使柱塞泵更不易发生共振.     

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。     

复合结构研齿换能器的动力学特性与设计

利用4段复合式变幅杆及夹心式压电陶瓷换能器的结构,研制了一种用于超声辅助研磨弧齿锥齿轮的新型换能器。首先,根据牛顿定律和超声波传输线理论,推导得到了超声研齿换能器的频率方程,依据压电陶瓷的谐振频率、振动模式和输入功率,确定了复合式超声研齿换能器的结构参数;其次,运用等效声学参数修正法和质量互易法,对设计的换能器进行了声学和结构参数的修正;然后,利用ANSYS分析软件进行了模态分析和谐响应分析,对换能器的谐振频率、振动幅度、振动速度比和导纳等动力参数进行了研究;最后,进行了阻抗特性测试和振动特性实验和通过5对弧齿锥齿轮的超声研磨实验,进一步证实了复合结构研齿换能器的超声研磨性能。     

铝合金超声铸造中换能系统的有限元仿真分析

根据任意变截面杆纵向振动的波动方程,推导了用于超声波铸造的换能系统各部分的频率方程,并应用有限元分析软件ANSYS对结构进行了模态分析和谐响应分析,得到了系统的共振频率、位移节点、振速分布和输出振幅等重要参数,并应用多普勒测速仪进行了实验验证.与理论计算结果和试验测试结果比较,有限元仿真分析法获得了较高的精度.     

带轴锥齿轮超声研齿振动系统的设计与试验

为了满足带轴锥齿轮超声研磨加工的谐振频率要求,利用波动理论对不同结构的3种带轴锥齿轮的超声变幅系统进行谐振设计,建立了统一的谐振频率方程,并对位移放大系数和最大应力进行了比较。运用有限元方法,对由复合变幅杆和换能器组成的超声激励-变幅振动系统进行了模态分析和谐响应分析。最后对超声振动系统进行了阻抗分析和频率测试。试验结果表明：实际超声振动系统的谐振频率为23.269kHz,与设计频率误差约1.17%,试验结果与有限元分析和理论分析结果基本吻合,验证了理论设计的准确性。     

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。     

功率超声珩磨缸套加工中谐振系统的试验研究

针对特种加工方法－－功率超声振动加工中的关键技术－－谐振系统的研究进行了一系列的试验研究，从为幅杆、弯曲振动圆盘、振子系统等方面进行了详细的介绍。