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。     

单激励纵扭复合超声铣削系统研究

针对切削、焊接过程中超声复合振动能获得较高加工质量、效率及有助于延长刀具使用寿命,研究分析纵扭复合超声铣削系统运动特性及切削轨迹特征;基于斜梁振动原理,提出加工工艺简单、制造成本低的斜梁式超声变幅杆,并利用有限元软件ANSYS进行结构动力学分析, 证实通过单向激励可产生纵扭复合振动;应用研制的纵扭复合超声振动铣削系统对碳纤维复合材料进行切削试验,获得较好加工效果,从而验证理论分析与数值模拟结果的正确性。     

纵—扭复合振动模式超声变幅杆研究

本文对窄端带有均匀截面直棒的指数型纵-扭复合振动模式超声变幅杆进行了理论及实验研究,推出了该复合模式变幅杆纵向振动及扭转振动的共振频率方程。为了克服同一变幅杆纵向与扭转振动很难实现同频共振的问题,提出了一种通过改变指数型变幅杆的截面变化规律而实现改变纵向及扭转振动传播速度的方法。通过合理选择指数变幅杆的截面半径减缩系数(即参数β),实现了纵-扭复合变幅杆纵向振动与扭转振动的同频共振。实测结果表明,共振频率的理论值与测试值基本一致,变幅杆纵向及扭转振动共振频率的测试值也比较符合。该变幅杆具有比较高的位移放大系数。可望应用于超声加工、超声疲劳实验及超声焊接等功率超声技术中。     

纵-扭复合超声对滚齿面强化机理及表面特性研究

为了强化齿面,提高齿轮表面的使役性能,使用一种新的纵-扭复合强化加工方法对齿轮进行强化。首先,基于赫兹接触理论和齿轮啮合理论,建立了纵-扭超声滚压齿面等效应力的理论模型;其次采用有限元仿真技术对该加工方式进行了模拟;最后利用已经搭建好的试验平台进行了一系列的纵-扭超声对滚齿面强化试验。通过对比仿真与理论结果对比,施加纵-扭超声后可以有效的提高接触应力,中有无超声振动接触应力提高约1.7倍～2倍,致使齿轮表面材料发生屈服进而完成。试验结果进一步表明纵-扭超声滚强化压改善了齿面的表面特性。当施加纵-扭复合超声振动时,齿面残余应力随阻尼力矩增大而增加,沿齿廓方向残余应力呈现先增大后减小趋势,在节圆处残余应力值最大。齿面的显微硬度HV_1.0数值沿齿廓呈现时变特性,超声滚压强化加工可以改善齿面表面形貌。与传统滚压相比,超声滚压强化后表面峰谷间距加宽,粗糙度降幅可达45%～55%。因此,纵-扭超声对滚强化加工可以实现齿面强化、改善齿面特性,提高残余压应力和显微硬度、降低表面粗糙度并提高齿面质量。     

钻杆纵-扭耦合振动的试验研究

提出了一种新型的钻杆纵-扭耦合振动模拟测试系统。基于该系统设计了单因素试验,研究了驱动转速、进给速度、钻头直径、岩样强度和钻杆刚度对钻杆振动的影响规律,并通过正交试验探究了以上各因素对钻杆振动的影响程度。单因素试验结果表明,随着转速的增加,纵向振动幅值先减小后增大,但扭转振动幅值逐渐减小;随着进给速度的增大,纵向振动幅值逐渐减小,但扭转振动的幅值逐渐增大;转速增加导致扭矩和钻压下降,而进给速度增加导致扭矩和钻压上升;采用小直径钻头,低强度岩样,低刚度钻杆均有助于减小钻杆纵向振动幅值,但均导致扭转振动幅值增加。正交试验结果表明,转速对纵向振动的影响程度最大,进给速度对扭转振动的影响程度最大。试验结果与已有钻杆纵-扭耦合振动两自由度模型的数值仿真结果基本吻合。     

纵－扭复合振动夹心式压电超声换能器的研究

本文从纵振动和扭转振动的波动方程出发，结合复合振动换能器各组成部分在一维条件下，纵振动和扭转振动的等效网络，以一维声传输线理论为基础，推导出了复合振动换能器所满足的纵振动和扭转振动共振频率方程，通过合理地选择变截面杆的弯延指数β，从而设计出了同一长度下，纵振动的基波和扭转振动的二次谐波可以共振的纵－扭复合振动换能器，并对影响弯延指数β的因素进行了初步的探讨。实验结果表明，理论计算与实验结果基本符合。     

纵-弯复合振动超声挤压加工试验研究

为研究挤压加工时静压力、进给量和挤压速度等工艺参数对试件表面质量的影响,在挤压加工中引入纵-弯复合振动后对Q235钢轴件端面进行处理,并与普通挤压加工进行对比,基于正交试验结果构建了挤压加工后表面粗糙度和表面里氏硬度二次回归预测模型.试验发现:在相同加工工艺参数下,在普通挤压加工中引入纵-弯复合超声振动后获得的表面粗糙度Ra值更小,而表面里氏硬度值显著提高;采用两种挤压加工方法后工件表面粗糙度Ra值均随着静压力和进给量的增加而增大,而挤压速度的影响很小,进给量对表面粗糙度的影响最为显著;工件经超声挤压加工时静压力越大,则获得的表面硬度越大,且表面硬度随进给量的增大先增大后减小,而普通挤压加工后表面硬度随静压力和进给量的增大先增后减,且在两种加工方式下工件表面硬度基本不受挤压速度的影响.纵-弯复合振动超声挤压加工工艺适合Q235钢表面强化处理,构建的表面粗糙度和硬度的预测模型可用于指导Q235钢表面强化处理工艺生产.     

纵－扭复合振动夹心式压电超声换能器的研究

本文从纵振动和扭转振动的波动方程出发，结合复合振动换能器各组成部分在一维条件下，纵振动和扭转振动的等效网络，以一维声传输线理论为基础，推导出了复合振动换能器所满足的纵振动和扭转振动共振频率方程，通过合理地选择变截直的弯延指数β，从而设计出了同一长度下，纵振动的基波和扭转动的二次谐波可以共振的纵－扭复合振动换能器，并对影响弯延指数β的因素进行了初步的探讨。     

H-结构薄板纵弯复合模态驱动的压电直线电机

为高性能压电直线电机设计奠定基础,推出基于H型振子的直线电机并利用该振子两纵向杆面内一阶纵振与二阶弯振驱动电机。研究电机的驱动机理并从理论上阐释振子纵杆驱动端质点的椭圆运动形成过程;建立振子有限元模型并对其工作模态、灵敏度、谐响应进行分析;优化振子结构尺寸,完成电机装配结构设计并制作出振子、电机实物;对振子进行模态试验,结果显示该振子不仅具有预设的工作模态,且在正常激励条件下,驱动端纵、弯振幅值分别可达1.2 μm,1.4 μm。研究表明,该电机有望产生较大速度与动力。     

用于结构振动模态分析的改进的有限元法

提出了两种分别适用于板的面内振动和圆环板弯曲振动模态分析的Fourier级数形式的插值形函数。数值计算结果表明 :对于结构振动模态分析 ,Fourierp_单元法能够有效地提高计算精度及收敛速度 ,特别是对于较高阶的模态效果更为明显。     

复合共鸣腔Janus宽带换能器

提出了一种复合共鸣腔Janus换能器设计思想.在Janus-Helmholtz换能器基础上,增加Janus-Hammer Bell的圆环谐振模态,利用换能器三种工作模态的互相耦合,有效拓宽了换能器的工作频带.同时换能器整体采用溢流设计,实现内外静水压力平衡,适用于深水工作.文章首先介绍了复合共鸣腔的工作原理,给出了圆环...     

A new approach of vibration isolation analysis of periodic composite structure based on phononic crystal

It is well-known that phononic crystal has a good effect of vibration isolation within some frequency range. The transmission performances of elastic waves propagating in three-dimension composite structure, based on phononic crystal, embedded periodically with spherical scatterers with different mass density and Lame coefficients are analyzed by the transfer matrix method in this paper. The transfer matrix of monolayer structure and the entire structure are deduced by the wave equations considering boundary conditions of displacement and stress continuity between layers, the reflectivity and transmissivity of vibration isolation of the structure are obtained by calculating its effective impedance, and some useful conclusions are drawn after numerical simulation is carried out.     

Non‐linear finite element modal approach for the large amplitude free vibration of symmetric and unsymmetric composite plates

A theoretical analysis is presented for the large amplitude vibration of symmetric and unsymmetric composite plates using the non‐linear finite element modal reduction method. The problem is first reduced to a set of Duffing‐type modal equations using the finite element modal reduction method. The main advantage of the proposed approach is that no updating of the non‐linear stiffness matrices is needed. Without loss of generality, accurate frequency ratios for the fundamental mode and the higher modes of a composite plate at various values of maximum deflection are then determined by using the Runge–Kutta numerical integration scheme. The procedure for obtaining proper initial conditions for the periodic plate motions is very time consuming. Thus, an alternative scheme (the harmonic balance method) is adopted and assessed, as it was employed to formulate the large amplitude free vibration of beams in a previous study, and the results agreed well with the elliptic solution. The numerical results that are obtained with the harmonic balance method agree reasonably well with those obtained with the Runge–Kutta method. The contribution of each linear mode to the maximum deflection of a plate can also be obtained. The frequency ratios for isotropic and composite plates at various maximum deflections are presented, and convergence of frequencies with the number of finite elements, number of linear modes, and number of harmonic terms is also studied. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

三叠片压电复合换能器弯曲振动的比较研究

用瑞利法对三叠片弯振圆盘换能器在三种不同边界条件下的振动特性进行理论研究,推导了谐振频率及有效机电耦合系数的表达式,通过数值计算分析了复合换能器的谐振频率及有效机电耦合系数随换能器各结构参数的变化规律并进行比较研究,同时将计算结果与有限元模拟结果比较,结果表明不同边界条件下换能器的结构参数对谐振频率和有效机电耦合系数影响不同:在换能器结构参数一定时,自由边界条件下谐振频率最大,简支边界条件下最小,固定边界条件下次之;有效机电耦合系数随着金属片厚度、陶瓷片厚度和陶瓷片半径变化时,分别有一个最大值;其他参数一定时,有效机电耦合系数在简支边界条件下最大,自由边界条件下的值稍大于固定边界条件下的值。上述研究结果可为三叠片弯曲振动换能器的设计和实际应用提供一定的理论支持。     

Integration of active vibration control methods with finite element models of smart laminated composite structures

Vibration control problems can be directly and systematically solved in a single analysis stage using commercial finite element programs. Integration of control methods into the finite element solutions (ICFES) can be achieved in ANSYS. In this work, first, the direct velocity feedback (DVF) control is tested on a 3-DOF mechanical system under a step input. The simulation results obtained by the ICFES are compared with the analytical results obtained by the Laplace transform method. Then, active control of free and forced vibrations in a smart laminated composite structure (SLCS) with two different lay-ups is studied numerically and experimentally. The SLCS consists of a symmetric laminated glass–epoxy composite beam with [0/90]_s and [45/−45]_s lay-ups and a piezoelectric actuator. For the vibration suppression, the DVF control tested on a mechanical system is applied to the SLCS. In addition, displacement feedback (DF) control is studied. Experiments are conducted to verify the natural frequencies and the closed loop time responses. Analytical results for the mechanical system and experimental results for the SLCS match well to the corresponding results obtained using the ICFES technique.     

温度变化下复合材料层合板的试验模态分析

通过动力测试试验研究了环境条件变化对复合材料层合板振动特性的影响 , 这对于复合材料结构基于动力响应健康监测和振动控制系统设计使用的安全性具有重要意义。在不同温度条件下利用锤击以及激振器实验方法测定复合材料层合板的动力响应 , 采用随机子空间法 (SSI) 识别了其固有频率、 阻尼以及模态振型。研究结果表明 , 复合材料层合板结构固有频率及阻尼比与温度变化存在逆相关关系 , 而所识别的模态振型变化并没有非常清晰的相关关系。分析结果进一步表明 , 复合材料结构振动控制和健康监测系统设计过程中需要考虑上述影响。      

Finite element buckling analysis of rotationally periodic laminated composite shells

A finite element (FE) buckling analysis of rotationally periodic laminated composite shells is performed in this paper. Because the buckling mode of such structures is characterized as rotationally periodic, a corresponding FE buckling analysis scheme is proposed to reduce the computational expenses. Moreover, a new kind of relative degrees‐of‐freedom element is developed, which can be connected to other solid elements with ease and can yield satisfactory results with a relatively coarse FE mesh. Numerical results of two laminated cylindrical shells subjected to lateral pressure are compared with theoretical ones. The good agreement of them shows the validity of this new computational strategy. Finally, a practical structure is analysed to demonstrate the advantage of this method. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

复合材料T型整体化结构固化翘曲变形模拟

针对复合材料T型整体化结构固化成型的工艺过程,分析了结构经固化而导致翘曲变形的原因;建立了整体化结构翘曲变形预测的理论模型及分析方法; 运用有限单元法计算了T型结构件的内部温度和固化度的分布,以及由于内部化学反应放热、固化引起的体积收缩和材料各个方向热膨胀系数的不一致而导致的结构翘曲变形量,同时考虑了树脂在固化过程中材料参数随着固化度的变化而变化;并研究了翘曲变形与T型结构件尺寸之间的关系。研究表明,选择合适的角材高度、宽度以及倒角半径可以有效地降低结构的翘曲变形。     

多层异质复合结构的动力学响应及抗侵彻性能

为研究多层异质复合结构动力学响应及抗侵彻性能,利用霍普金森试验装置,对不同材料排布顺序及含泡沫铝夹芯的多层复合结构进行冲击加载,通过贴在入射杆和透射杆上的应变片测得入射波、反射波、透射波波形,验证数值仿真模型正确性;结合数值模拟,研究不同结构对试件内部应力波传播特性和应力场分布影响规律;依据复合结构动力学响应特征,设计复合靶板并进行抗侵彻试验,分析靶板塑性变形特征及抗侵彻耗能机制;通过数值模拟分析泡沫铝夹芯厚度对防护性能影响。结果表明,装甲钢后置复合结构及含泡沫夹芯结构有助于减缓应力集中,减小陶瓷损伤面积;泡沫铝夹芯过厚难以为靶板变形提供支撑,降低抗侵彻阻力;五种夹芯厚度h=2 mm、h=5 mm、h=10 mm、h=20 mm、h=30 mm中,h=10 mm对应多层异质复合靶防护性能最优。