阶梯形变幅杆的频率特性分析

计算了圆柱截面阶梯形变幅杆的一阶到六阶纵振动模式的谐振频率,较系统地分析研究了带与不带过渡段的阶梯杆之谐振频率随其粗细段长度比和直径比的变化规律,得到了一些新结果。用两种方法计算谐振频率:一种是求解一维近似解析频率方程,计算程序用MATLAB编制。另一种是用有限元仿真数值计算,利用ANSYS软件,且适合对于任意材料和几何参数的圆截面阶梯杆的任意阶谐振频率的计算。有限元计算与一维近似理论计算得到的频率的变化趋势基本一致。所给频率变化趋势对于变幅杆的设计和加工都能提供参考。在相当大的阶梯杆几何参数空间内,一阶谐振频率随变幅杆粗段与过渡段长度而相应减小。对于实测频率比所期望值高的变幅杆进行频率调整时可以利用上述性质。     

玻璃振动模压中变幅杆高温模态分析及实验研究

为研究应用于光学元件的超声振动模压中变幅杆的高温振动特性,基于纵振波动方程设计所需频率的超声变幅杆,利用Creo软件建立其参数化模型。考虑变幅杆高温下的材料特性变化,结合实验所得数据对高温下的变幅杆进行模态分析,得到其在高温下的谐振频率。分析研究表明,变幅杆谐振频率随着温度的升高而降低。为提升变幅杆高温的下频率稳定性,通过有限元软件对其进行了结构优化设计。按照优化后的尺寸加工出变幅杆,通过实验检测其谐振频率,结果表明,在高温下优化后变幅杆的谐振频率仍稳定在设定频率附近。     

Cymbal压电发电换能器有限元分析

通过建立Cymbal压电发电换能器的机电耦合有限元分析模型,计算分析了换能器结构参数对输出电压和谐振频率的影响以及外接负载对Cymbal换能器输出电压和输出功率的影响。研究表明,为了降低换能器的工作频率和提高换能器的输出电压,应增大换能器的空腔底部直径和减小换能器的空腔高度;在选择金属端冒和压电陶瓷厚度等参数时,应综合考虑换能器系统的刚度和外界振动源的频率特性和加速度特性;在任意一个频率点上,Cymbal换能器均存在一个最佳的外接负载,使得换能器的输出功率最大,而这个最佳的负载阻抗就等于Cymbal换能器在这个工作频率点上的输出阻抗。文中还提出并分析了基于外加预应力的多振子级联方式Cymbal压电发电换能器系统的结构。     

电液疲劳试验系统的变谐振控制技术研究

随着激振频率的增加,电液疲劳试验机激振输出幅值急剧衰减,激振频率和激振输出幅值两者之间存在相互矛盾的关系,因此提出了利用谐振能量来提高激振输出幅值的方案。该方案通过改变阀控单出杆液压缸无杆腔容积的方法来改变系统的谐振频率,使得谐振频率与激振频率重合,在谐振点进行激振。在对液压动力机构的运动过程进行分析的基础上,建立系统的数学模型,运用四阶龙格库塔的数值方法对其进行求解,并对仿真结果进行理论分析;理论分析表明可以通过改变无杆腔容积来改变系统的谐振频率,且在谐振点处的激振输出幅值有较大幅度的提升;从负载流量曲线上看,由于谐振能量的输出使得在谐振点处的负载流量急剧降低。最后建立实验系统对以上仿真结果进行实验验证。实验结果表明：在谐振点出的激振输出幅值为饱和输出幅值的25%左右,负载流量反而减小了90%左右;通过改变无杆腔的容积能有效改变谐振频率,拓宽电液疲劳试验机应用范围。     

基于Mindlin理论的功率超声纵弯谐振变幅器设计理论与实验研究

多种材料的阶梯环盘负载与变幅杆共同组成了功率超声纵弯谐振变幅器,在超声加工、超声处理等领域有着广泛应用。为了快速准确地对纵弯谐振变幅器进行设计,提出了一种基于Mindlin理论的变幅器设计方法。基于Mindlin理论求出了中厚环盘单元的位移、转角、弯矩和剪力的解析表达式。通过振动单元间的连续条件和边界条件,建立了纵弯谐振变幅器的振动模型与频率方程。基于该振动模型,利用MATLAB/GUI开发了纵弯谐振变幅器尺寸设计软件。通过理论计算设计了纵弯谐振变幅器,并进行了有限元模态分析、阻抗分析试验和超声谐振试验。仿真与试验的结果证明,基于Mindlin理论的纵弯谐振变幅器设计方法所设计的纵弯谐振变幅器的谐振频率与设计频率相符合,具有较好的设计精度,可为变幅器设计提供参考。     

超声变幅杆与杯型工具一体化设计

基于细长杆纵振理论和薄圆盘振动理论,针对超声变幅杆与杯型工具开展一体化设计研究。通过分析各段的振动模态,将超声变幅杆和杯型工具的振动分为"纵-弯-纵"三个部分,分别建立三段位移和应力函数及边界条件,推导得出超声变幅杆和杯型工具的总体频率方程。根据得到的总体频率方程,设计出典型的超声变幅杆和杯型工具。对所设计的超声变幅杆和杯型工具的振动性能进行有限元分析和试验测试,分析和试验结果表明,超声变幅杆和杯型工具谐振频率的设计结果和有限元分析及测试结果的误差均在10%以内,验证了所建立的超声变幅杆和杯型工具的频率方程的正确性,并分析了各段长度和半径对超声变幅杆和杯型工具谐振频率的影响规律,为其谐振频率的修正提供了依据。     

力负载对超声切割声学系统谐振频率及谐振阻抗的影响

针对在蜂窝复合材料超声波切割加工中,超声切割系统在受力之后会出现系统失谐,振幅不足甚至停振的现象,对声学系统受力之后的阻抗值以及谐振频率进行研究。利用四端网络法,通过分析变幅杆、压电陶瓷以及端盖等组成声学系统各部分输入输出特性,提出了声学系统的整体设计方程,得出了声学系统的阻抗值和频率方程以及负载﹑电流与振幅的关系式,并对超声切割系统的受力模型进行分析;通过对超声切割声学系统施加单向力,分析受力之后的声学系统阻抗值和谐振频率,得出声学系统受力对系统阻抗值和谐振频率的影响规律。实验结果表明:增加三个方向力之后,系统的阻抗值和谐振频率都会上升;随着力负载的增加,Y、Z方向施加力负载时的系统阻抗值比X方向施加力负载时增加得更快,而在系统谐振频率方面,X、Z方向施加力负载时谐振频率的增量比Y方向施加力负载时更大,在实际应用中应减小敏感方向的力;研究成果可为实际加工蜂窝复合材料提供理论指导。     

杯形工具复合变幅杆设计及振动特性分析

针对硬脆材料曲面加工过程中加工精度差、效率低、加工费用高的问题,结合理论分析与有限元法,设计了一种适用于硬脆材料曲面高精度加工的超声杯形工具复合变幅杆。对所设计的变幅杆进行了阻抗特性分析和振动性能测试,结果显示变幅杆结构合理、振动效果良好;并通过有限元与试验的对比分析,探究杯形头的壁高、底厚、内径对杯形工具复合变幅杆谐振频率的影响。结果表明:变幅杆谐振频率随着底厚的增加而增大,随着杯形头壁高、内径的增大而减小,且实测结果与仿真分析较好符合。     

两级阶梯形变幅杆设计及优化

基于ANSYS workbench多目标驱动优化模块对两级阶梯形变幅杆进行优化设计。基于解析法设计两级阶梯形变幅杆,建立参数化变幅杆模型;在静力学分析基础上对变幅杆进行模态、谐响应分析。通过52个设计点仿真分析获得谐振频率、放大系数、最大应力与变幅杆结构尺寸关系,并优化变幅杆尺寸。研究表明,变幅杆谐振频率小于理论设计频率,振幅放大系数小于理论值,超声能量损耗较大。优化所得变幅杆的谐振频率接近理论设计频率,提高放大系数。为大功率、大振幅的超声变幅杆优化设计提供新的设计、优化思路。     

旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。     

阻性负载超声变幅杆振动特性研究

在纵振型变幅杆等效电路的基础上,研究了三类负载超声变幅杆的共振频率与放大系数。得到了阻性负载时,变幅杆频率方程与放大系数的计算式;分别绘制了共振频率及放大系数随负载变化的曲线图,并给出了分析。这将有助于超声变幅杆的研究和设计。     

High-frequency, silicon-based ultrasonic nozzles using multiple Fourier horns

This paper presents the design, simulation, and characterization of microfabricated 0.5 MHz, silicon-based, ultrasonic nozzles. Each nozzle is made of a piezoelectric drive section and a silicon resonator consisting of multiple Fourier horns, each with half wavelength design and twice amplitude magnification. Results of finite element three-dimensional (3-D) simulation using a commercial program predicted existence of one resonant frequency of pure longitudinal vibration. Both impedance analysis and measurement of longitudinal vibration confirmed the simulation results with one pure longitudinal vibration mode at the resonant frequency in excellent agreement with the design value. Furthermore, at the resonant frequency, the measured longitudinal vibration amplitude at the nozzle tip increases as the number of Fourier horns (n) increases in good agreement with the theoretical values of 2(n). Using this design, very high vibration amplitude gain at the nozzle tip can be achieved with no reduction in the tip cross-sectional area for contact of liquid to be atomized. Therefore, the required electric drive power should be drastically reduced, decreasing the likelihood of transducer failure in ultrasonic atomization.     

抛物线型超声变幅杆的探讨

提出了一种新型的变幅杆-抛物线型变幅杆。根据变截面杆纵向振动的波动方程,推导出抛物线型变幅杆的频率方程、节点位置方程、放大系数、形状因数等参数,并用有限元软件ANSYS分析了几个半波长抛物线型变幅杆,得出共振频率。结果表明:抛物线型变幅杆在保持圆锥变幅杆形状因数较大的优点上,放大系数有所提高;有限元分析结果与理论值符合的较好。     

内柱孔和内锥孔圆柱形变幅杆

激光和水射流是对陶瓷等易碎材料进行辅助打孔的传统方法,其设备存在大而复杂等缺点。加工陶瓷等易碎材料时,利用超声振动的带孔变幅杆的设备比起传统的利用激光和水射流的的设备更简易和小型化,因此,超声加工受到了人们的重视。文章对中心孔分别为柱形和锥形、外形为圆柱形的超声杆件,基于解析法推导了这两种孔型变幅杆的频率方程及性能参数表达式,分析了不同参量对其性能参数的影响,并利用有限元法计算了在谐振状态下这两种变幅杆的应力及振动位移沿轴向分布的规律。结果表明,在相同谐振频率及面积系数下,带孔变幅杆的放大系数大于实心圆柱杆的放大系数;锥形孔变幅杆的放大系数小于柱形孔变幅杆的放大系数,但前者应力曲线光滑且应力极大值较小。     

大尺寸立方体开槽超声塑料焊接工具头的优化设计

谐振频率、频率间隔性、振幅均匀度是大尺寸超声塑料焊接工具头设计中的几个主要指标。基于工程实际,以工具头纵向长度、槽宽度及槽长度为设计变量,纵向谐振频率和频率间隔值为状态变量,振幅均匀度为目标函数,利用有限元软件ANSYS的参数化分析技术,对大尺寸立方体超声塑焊开槽工具头进行了优化设计。结果表明,该优化方法能很好地解决大尺寸超声塑焊工具头的设计问题,既提高了设计效率,也降低了设计成本。     

Analyses of power output of piezoelectric energy-harvesting devices directly connected to a load resistor using a coupled piezoelectric-circuit finite element method

This paper presents, for the first time, a coupled piezoelectric-circuit finite element model (CPC-FEM) to analyze the power output of a vibration-based piezoelectric energy-harvesting device (EHD) when it is connected to a load resistor. Special focus is given to the effect of the load resistor value on the vibrational amplitude of the piezoelectric EHD, and thus on the current, voltage, and power generated by the device, which are normally assumed to be independent of the load resistor value to reduce the complexity of modeling and simulation. The presented CPC-FEM uses a cantilever with a sandwich structure and a seismic mass attached to the tip to study the following characteristics of the EHD as a result of changing the load resistor value: 1) the electric outputs: the current through and voltage across the load resistor; 2) the power dissipated by the load resistor; 3) the displacement amplitude of the tip of the cantilever; and 4) the shift in the resonant frequency of the device. It is found that these characteristics of the EHD have a significant dependence on the load resistor value, rather than being independent of it as is assumed in most literature. The CPC-FEM is capable of predicting the generated output power of the EHD with different load resistor values while simultaneously calculating the effect of the load resistor value on the displacement amplitude of the tip of the cantilever. This makes the CPC-FEM invaluable for validating the performance of a designed EHD before it is fabricated and tested, thereby reducing the recurring costs associated with repeat fabrication and trials. In addition, the proposed CPC-FEM can also be used for producing an optimized design for maximum power output.     

Improvement in transient piezoelectric responses of NDE transceivers using selective damping and tuning networks

NDE ultrasonic applications for quality control purposes, based on piezoelectric devices working as pulsed ultrasonic probes, usually include some tuning circuit either across the pulser output connectors or close to the piezoelectric probe electrodes. Classic criteria to determine tuning parameters in ultrasonic transducers do not perform very well in transient regime under the typical electrical conditions and peculiar output impedances of the required high-voltage pulsers. In most practical situations, the tuning values are manually adjusted in specific circuits for each NDE case, testing each channel of a multiprobe inspection system to find the best sensitivity. In this paper, the positive influences of certain selective damping and tuning networks on the time and frequency behaviors of NDE piezoelectric transceivers are analyzed in detail. Different waveforms and spectra of received ultrasonic signals are comparatively evaluated for different real tuning conditions, after passing through two ultrasonic processes linked in cascade: a transmitter of industrial type and a broad-band ultrasonic receiver. Piezoelectric transducer impedances, transduction transfer functions, and HV output spikes from a piezoelectrically loaded NDE pulser, are computed, to identify separately the influence of each stage. In order to improve amplitude and axial resolution in the received transient responses, relative contributions from emission and reception tuning networks are individually evaluated for a particular NDE two-stage piezoelectric channel. Also shown are the final experimental results relative to the ultrasonic test pulse and detected in a through-transmission NDE configuration, gradually improved by using distinct tuning levels.     

纵-扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究

纵-扭复合超声振动加工技术在硬脆性材料的加工中受到越来越多的重视,针对该种需求,设计了一种纵-扭复合超声振动加工系统,基于有限元方法对该类系统普遍存在的频率简并问题进行了研究。利用数值解析方法设计出超声换能器和超声变幅杆,之后在变幅杆上做出螺旋槽,一部分纵向振动转换为扭转振动;以目标频率附近的纵、扭谐振频率尽量接近为原则,利用有限元软件分析系统的结构参数对纵、扭谐振频率的影响规律,实现频率简并;在此基础上对系统进行模态分析和瞬态动力学分析,结果表明系统可以实现纵-扭复合超声振动,验证了此种频率简并方法的有效性和实用性。     

基于谐振器的多模态压电换能结构研究

传统压电悬臂梁俘能器一般通过其基频与环境中某一激振频率的匹配来收集这个频率上的振动能,为俘获环境中多个激振频率上的能量,提出一种在压电悬臂梁上附加谐振器的多模态换能结构,由该结构组成的俘能器的前两阶共振频率可以被设计在给定的激振频率上,从而有效地收集分布在这两个频率上的能量.实验表明附加谐振器有效地提高了俘能效率,其中一阶模态的俘能效率相对附加等量质量块时提高了71％,二阶模态的俘能效率与原压电悬臂梁的一阶模态相当.