厚度振动换能器降耦合结构优化与工程应用

厚度振动是高频换能器的常用振动模态。对压电圆片而言,横向方向的耦合总是存在的,不存在理想的厚度振动模态。若压电圆片的尺寸比例合适,横向耦合较弱,若尺寸比例不合适,横向耦合会很强。耦合会使振子表面振动位移反相,频响曲线出现多个难以区分的谐振峰,对换能器的发送电压响应、指向性等产生负面影响,对某军用型号工程中利用该振动模态工作的换能器的生产质量有较大影响。通过对压电振子的振动模态、耦合振动频率等理论和仿真计算,开展频率优化研究,降耦合对换能器的影响分析以及试验验证,仿真分析和试验结果表明:中心孔对圆片高频换能器模态振动具有明显的降耦合作用,可提高圆片换能器的发射能力,改善指向性特性,解决了该类换能器生产质量不高、成品率低等问题。     

考虑压电效应时压电陶瓷圆形振子的耦合振动

在考虑压电效应的情况下，本文对压电陶瓷圆形振子的耦合振动进行了研究。根据压电陶瓷圆形振子的运动方程及压电方程，通过引入振子不同振动模式之间的机械耦合系数，分析了振子轴向及径向振动之间的耦合关系，得出了振子耦合振动的电导纳表达式，并导出了共振频率方程。与一维理论的结果相比，由本文理论得出的振子共振频率与实际测量值更加符合。     

压电陶瓷矩形振子的三维等效电路及其在振子频率特性分析中的应用

在忽略剪切振动、弯曲振动及扭转振动的近似条件下,分析了压电陶瓷矩形振子长度、宽度及厚度振动模式之间的耦合振动,推导出了振子三维耦合振动的等效电路.在此基础上研究了矩形振子耦合振动的共振频率特性并得出了振子的共振频率方程.理论分析表明,压电陶瓷细长条的横向及纵向振动模式是矩形振子在一定几何尺寸条件下的振动模式.按照导出的耦合振动频率方程设计的压电陶瓷矩形振子,其实测共振频率与理论计算值基本符合.     

材料和结构参数对悬壁梁式压电振子机电耦合性能的影响

对材料和结构参数对压电和基板不等长的矩形截面悬臂梁式双晶压电振子机电耦合性能影响进行研究。由Hamilton原理推导了压电振子振动方程模型,并试验验证了模型的准确性。理论分析显示,当电路阻抗匹配时,转换效率最大,且当粘性阻尼系数相同时,最优转换效率随着机电耦合系数增大而增大。压电振子机电耦合系数和压电材料机电耦合因子成正比;随着压电与基板模量比增大,机电耦合系数增大;压电与基板密度比对机电耦合系数影响微弱;机电耦合系数随压电与基板长度比和厚度比都呈先增后减趋势,存在最优长度比和厚度比使机电耦合系数达到最大值。结构优化后的机电耦合系数随模量比的增加而增大;不同模量比和密度比条件下,最佳长度比变化较小,总体变化范围为0.6~0.7;模量比对最佳厚度比影响显著,随着模量比增大最佳厚度比减小。研究成果可用以指导压电振子的设计。     

高频宽带圆管换能器研究

压电圆管换能器是水声领域中广泛应用的换能器之一,它一般采用压电圆管的径向振动模态。利用压电圆管的径向振动模态和高阶振动模态来实现圆管的宽带发射性能。采用有限元方法对圆管换能器进行了分析,利用ANSYS软件建立圆管换能器的有限元模型,并对其进行结构优化。最终所制作换能器的径向谐振频率为47.5kHz,其工作带宽为40~80kHz,发送电压响应起伏不超过±4dB,最大发送电压响应为150dB。研究结果表明：所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,换能器实现了高频、宽带、水平无指向性的发射性能。     

超声电机振子振型激励技术研究进展

超声电机是靠压电陶瓷的逆压电效应激发振子的共振,利用振子、动子之间的摩擦耦合来推动动子运动的。根据合成振子和动子接触面质点的周期运动所需的模态数目, 超声电机振型激励技术可以分为单一振动模态类、两同频振动模态叠加类和多个振动模态叠加类,文中介绍了各类中具有代表性的超声电机的振型激励原理和特点,最后对超声电机振子振型激励技术的发展方向进行了展望。     

纵径耦合振动管形振子的特性研究

对纵径耦合振动的管形振子进行了研究,给出了管形振子的频率方程,并利用有限元和边界元软件对管形振子的振动模态和辐射的声场特性进行了分析。对于管形振子,由于振子各部分的振动幅度和相位不同,因而在振子径向位移较大的水平区域声场加强,较小的水平区域声场减弱。通过实验验证了分析结果的正确性。     

单振子二自由度球面马达的运动机理

利用矩形板形压电振子的两种振动模态,构建了一种采用单片压电振子驱动球形转子,形成两个旋转自由度的压电球面超声马达,对马达的作用机理进行了仿真分析和试验验证.利用有限元法对马达的矩形板压电振子的振动模态、共振频率进行了分析计算,仿真结果表明矩形板压电振子能够形成振型清晰的B32和B23振动模态,模态频率分别为49.127 kHz和49.756 kHz.对压电振子上每个凸起与球形转子之间的接触点的运动轨迹进行了计算机仿真,并对仿真结果进行了试验验证.分析结果表明各接触点能有效形成时序合理的椭圆运动轨迹,作为支撑足的一组凸起的变形量占作为驱动足的一组凸起的变形量的30%,能够用于驱动球形转子形成二自由度转动.仿真分析和试验结果证明了二自由度球面马达球形转子形成二维运动的作用机理.     

基于有限元法的管形振子声场特性研究

利用有限元分析软件ANSYS,对管形振子的振动模态及在清洗槽中的辐射声场进行数值计算分析,并用铝箔腐蚀的方法记录了管形振子的声场分布情况。结果表明基于线性理论的ANSYS软件能够较好地预测低强度的超声场;管形振子在清洗槽中的辐射声场在径向方向出现驻波,驻波沿管形振子的轴向间断出现,驻波数等于振子的半波长数,此外作耦合振动的管形振子和非耦合振动的振子相比其辐射的声场更均匀,表明这种新型辐射器有很好的应用前景。     

压电振子的脉冲响应电压与厚度机电耦合系数kt的测试

一、前言 换能器压电材料最重要的参数之一是机电耦合系数,它反映了材料机-电能量转换的能力。压电陶瓷机电耦合系数的测试在目前主要采用传输线法,对一般薄园片压电振子测其径向机电耦合系数kr比较方便、准确。而用泛音比法测厚度振动模式的机电耦合系数kt,由于其它模式的干扰     

压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的径向振动

对由压电陶瓷圆环与金属圆环组成的复合振动系统的径向振动特性进行了研究。首先分析了压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动,推出了其各自的机电等效电路。在此基础上,得出了压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了系统的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系。研究表明,当复合振动系统的壁厚比增大时,其共振及反共振频率升高。对于换能器的第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大而单调减小;对于换能器的第二阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大会出现一个极大值,而且,在一定的壁厚比范围内,换能器第二阶径向振动的有效机电耦合系数大于第一阶径向振动的有效机电耦合系数,这一规律与传统的有关压电换能器的分析理论及结果是有所不同的。     

基于格林函数的多跨钻柱系统的振动特性分析

随着油气勘探开发向着深层、深水及非常规等复杂领域的不断扩展,钻井面临的井况与约束条件更加苛刻,钻柱的动力学特性更加复杂,失效问题频发。该文应用格林函数理论对多跨旋转钻柱双向耦合动力学特性进行了定量分析和研究。考虑多稳定器及不同约束条件,以钻柱整体为研究对象,基于Euler-Bernoulli梁模型和Hamilton原理建立了具有广义边界约束条件及多稳定器的旋转钻柱双向耦合动力学方程。采用分离变量法、Laplace变换及Laplace逆变换求解所获得的振动微分方程,得到了旋转钻柱系统横向振动的格林函数解以及以格林函数为基础的多跨旋转钻柱系统的闭合形式的模态函数及隐式的频率方程。定量地分析了稳定器位置、弹簧刚度系数与稳定器个数对钻柱系统振动特性的影响。数值结果表明:稳定器位置与固有频率的关系曲线中有相应阶次数目的峰值;随着等效弹簧的刚度系数的增大,系统的固有频率随之增大,但当刚度增加到一定值时,系统的一阶和二阶频率将趋于稳定。研究结果有助于深化对多跨旋转钻柱的动力学特性规律的认识,为提高钻速、减少钻柱失效及钻柱钻井技术的应用提供了新的研究方法和理论依据。     

激振频率对焊接残余应力的影响

系统研究了不同激振频率对焊接残余应力降低程度的影响．以等厚矩形低碳钢板焊接件为典型试件，利用试验模态分析技术测定试件的固有频率和振型，分别采用不同频率激励试件振动，并用盲孔应力释放法测定振动前后试件焊接残余应力，结果表明：激振频率不同，焊接残余应力的降低程度不同；以试件的固有频率振动时降低应力幅度比非固有频率大，低阶固有频率的振动降低应力幅度比高阶固有频率大；试件残余应力降低幅度随激振频率变化的趋势与试件幅频特性曲线的变化趋势表现出一定的相似性．同时，试件的振型对焊接残余应力的降低幅度也有较大影响．     

夹杂及弹性耦联对手性蜂窝复合材料吸振带隙的影响

为了研究手性蜂窝复合材料的振动特性与其振动传播带隙之间的关系,首先,建立了该种材料离散多自由度的夹杂-韧带振动力学模型,该模型考虑了其内嵌夹杂的局部振动与由微结构韧带连接的节点环之间的弹性耦联及诱发共振模态。然后,重点研究了微结构元件之间的耦联程度和微结构元件的尺寸参数对材料吸振带隙低频段和高频段的影响,并结合有限元方法对模型进行了验证分析。结果表明:除柔性包覆的夹杂以外,耦联诱发振动、节点环和韧带的材料及尺寸参数都对手性蜂窝复合材料的固有振动频率产生显著影响,从而控制带隙的位置和带宽。随着节点环内、外弹性耦联程度的减小,夹杂的模态频率将控制带隙的低频段,且随着夹杂质量的增大,低频段的频率降低;高频段由韧带振动表征;当节点环内、外弹性耦联程度增大时,带隙的低频段对韧带和框架的模态更加敏感,从而出现比夹杂模态频率更低的带隙。无论弹性耦合程度强弱,当韧带和节点环的厚度减小时,材料第三阶较高的包覆层变形频率将被相对更低的韧带振动频率取代。所得结论可为小尺寸、低频宽带隙手性蜂窝型隔振材料的设计研究提供理论指导。     

中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动研究

为了探讨中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动,基于SIMPACK和ANSYS联合仿真,首先建立了中低速磁浮列车-桥梁/低置梁系统竖向耦合振动模型,以某试验线20 m简支梁现场动载试验为依据,验证此方法的可靠性。随后,根据所建立的中低速磁浮列车-低置梁系统竖向耦合振动模型进行动力仿真分析,并探讨了不同参数对低置梁竖向动力响应的影响。结果表明:低置梁自振频率较高,一阶竖弯达32.9 Hz;低置梁框架跨中竖向动位移及加速度均较底板中心大,框架振动属于高频振动（相对于底板振动）,在50 Hz~100 Hz加速度显著大于底板中心;磁浮列车荷载加载频率较高,该加载频率（整数倍）易与低置梁自振频率重合或接近而产生共振效应,显著放大低置梁动力响应;随着支撑脱空长度的增大,低置梁动力响应显著增大,且增速加大,随着路基刚度和底板厚度的增大,低置梁动力响应减小,且减小的幅度变小。     

螺旋离心泵转子系统动态响应数值分析

为研究螺旋离心泵转子对流固耦合作用的动态响应信息,以ZJ200-25型双叶片螺旋离心泵为研究对象,利用CFD软件CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对其进行了考虑流场变载荷和结构相互作用的两场交替联合求解。得到转子受到的激励力以及位移响应频谱特点,结果表明：叶轮受到流场变载荷激励,发生了弯曲及拉伸振动;叶轮径向位移随流量增大而减小,其主频率与径向力主频率同为48.3Hz,轴向力以低频随机波动为主,但轴向位移仅在200Hz以内有较明显的响应,且振幅随频率增加而减小;叶轮质心位移在低阶频率处的振幅不高,高阶频率的振幅逐渐减小,轴向及径向位移均没有振幅过大的情况出现,说明螺旋离心泵转子正常工作时未发生共振,稳定性良好。本文研究结果对螺旋离心泵转子系统的设计改良及振动分析具有一定的参考意义。     

Dynamic Characteristic Analysis of Refrigerator‐Truck Transport System by Using Inverse Substructure Method

This paper is a continuation of the previous research. The refrigerator‐truck system is treated as a two‐substructure multi‐coordinate coupled system, which is composed of a refrigerator substructure and a truck substructure coupled by numerous packaging units. Applying the two‐substructure multi‐coordinate coupled inverse substructure method to a product‐transport system, the paper makes an analysis of the dynamic characteristics for the refrigerator‐truck system. In order to validate the method in the refrigerator‐truck system, the measured system‐level frequency response functions (FRFs) were used to predict the substructure‐level FRFs that were compared with those directly measured and found to be in agreement in trend. To evaluate the vibration transmissibility of packaging units, the concepts of the vibration contribution, vibration contribution ratio, overall vibration contribution and overall vibration contribution ratio to product response through each packaging unit are introduced. The vibration contributions to the refrigerator through four coupling points almost coincide with each other in the whole frequency domain. However, the vibration contribution ratios are different at each frequency. The overall vibration contributions to the refrigerator through the frequency domain 10 to 50 Hz through four coupling points are respectively 9.4, 7.5, 9.8 and 11.2 mm/N, and the overall vibration contribution ratios are respectively 0.25, 0.20, 0.26 and 0.29. The vibration transmissibilities of four coupling points are similar. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

轮胎振动特性实验研究

利用振动实验模态分析的方法,建立了自由悬置状态下轮胎的振动特性模态测试与分析系统,通过轮胎径向激振测试信号的数据处理与分析,提取了各阶的频率及其径向模态振型,分析了轮胎的模态参数随充气压力变化的规律,为实验方法的研究和轮胎结构设计及车辆的动力性能分析提供指导。     

An improved equivalent circuit model of radial mode piezoelectric transformer

In this paper, both the equivalent circuit models of the radial mode and the coupled thickness vibration mode of the radial mode piezoelectric transformer are deduced, and then with the Y-parameter matrix method and the dual-port network theory, an improved equivalent circuit model for the multilayer radial mode piezoelectric transformer is established. A radial mode transformer sample is tested to verify the equivalent circuit model. The experimental results show that the model proposed in this paper is more precise than the typical model.     

Static and free vibration analysis of composite shells by radial basis functions

The higher-order shear deformation theory of laminated orthotropic elastic shells of Reddy accounts for parabolic distribution of the transverse shear strains through the thickness of the shell. The Reddy shell theory allows the fulfillment of homogeneous conditions (zero values) at the top and bottom surfaces of the shell. This paper deals with a meshless solution of the Reddy higher order shell theory in static and free vibration analysis. The meshless technique is based on the asymmetric global multiquadric radial basis function method proposed by Kansa. This paper demonstrates that this truly meshless method is very successful in the static and free vibration analysis of laminated composite shells.