超声悬浮气浮混合式悬浮的承载力特性研究

为了确保在一定的振动幅度和精度的条件下提高气动悬浮的承载力,提出了一种采用超声悬浮气浮混合式悬浮方式来提高气动悬浮承载力的新方法。通过ANSYS软件对超声悬浮核心部件(压电换能器)进行优化设计加工,制作了混合式悬浮装置实验样机,并进行了悬浮能力的测试,得到的实验测试结果与理论计算结果相一致。优化后的圆盘压电换能器可悬浮起质量为3kg的物体,单位面积的悬浮质量可达59.7g/cm2。实验结果表明,该混合式悬浮装置的悬浮承载力大于超声悬浮与气动悬浮的承载力之和,当供气压力为0.2 MPa时,混合式悬浮承载力约等于2倍的超声悬浮承载力与气动悬浮承载力之和。因此,该混合式悬浮装置可大幅度地提高气浮支承的悬浮能力,并且不改变气浮支承的振动幅度和精度。

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。

超声悬浮甲醇液滴的热诱导雾化现象

采用外部高温气体加热的方式研究了超声悬浮甲醇液滴的声致破碎雾化现象,利用高速摄像手段记录并实验研究了不同直径液滴不同的破碎雾化特性.结果表明:超声悬浮液滴在高温气流吹扫后可发生边缘喷射雾化现象.破碎方式包含边缘溅射、液膜割裂和法向溅射三类.直径D0较小的液滴直接从赤道面开始边缘溅射直至完全雾化;等效直径D0>2.8 mm的液滴,在产生边缘溅射后,剩余液核弯曲形成液膜,其表面产生法拉第波,使得液膜割裂破碎;而D0>3.2 mm的液滴,在变形过程中逐渐形成“碗状”空腔,并在其底部的法向方向产生溅射,同时开始液膜割裂的离散化解体过程并伴随着边缘溅射,直至完全雾化.这种声致液滴雾化现象丰富了多物理场耦合作用下的流体理论,可为相关应用研究提供新思路.

近场超声悬浮承载能力及影响因素的理论及实验研究

应用流体动力润滑理论分别建立固定悬浮体以及自由悬浮体的超声气体挤压膜气膜压力模型,并对模型进行数值求解,获得超声频振荡气体挤压膜的压力分布及承载能力,在此基础上利用Christensen平均模型讨论了表面粗糙度对承载能力的影响。结果表明:气体挤压膜具有较大的承载能力,且承载能力大小主要取决于挤压运动的振幅和频率,其中,振幅对气体挤压膜承载力影响最为显著,而频率影响次之。低频范围内,频率对承载力的影响较大,而随着频率的升高其影响逐渐趋于平稳。构造适当的表面纹理可以在一定程度上提高气体挤压膜的承载力。研究结果可以为超声悬浮器件或涉及挤压膜问题的微纳器件设计提供参考。

压电陶瓷激励下的超声悬浮特性研究

声悬浮现象已被众多实验所证实,但复杂的结构及压电-固体-流体耦合问题很难再利用解析法来模拟声场,通过Ansys数值模拟和实验验证2方面证实了超声悬浮具有承载能力。建立的数学模型中,使用2维轴对称模型来进行电-固-气的耦合不仅能减少运算时间,提高运算精度,还能忽略掉激振盘的非轴对称模态,给超声悬浮的研究带来了方便。

具有环形限位夹持力的单轴式超声悬浮系统

基于超声悬浮原理,通过改变单轴式超声悬浮系统的反射和发射端的几何形状,利用凸状发射、反射面在悬浮区域周围产生环形声辐射力势阱作为限位夹持力,提高悬浮样品在驻波声场中的悬浮稳定性。基于时域有限差分法,研究不同谐振腔内的声辐射力分布,以及影响声辐射力大小的因素,优化环形限位夹持力和悬浮力。理论及实验研究结果表明,具有环形限位夹持力的超声悬浮系统可以提高普通单轴式超声悬浮装置对悬浮样品的稳定性。

近场超声悬浮精度理论分析及试验研究

应用流体润滑理论建立自由悬浮体气膜压力分布模型以及悬浮体非线性运动方程,应用非线性数值求解方法对模型进行求解,获得高频激励下气体挤压膜压力分布、承载能力以及悬浮体悬浮状态参数的瞬态响应。以此为基础分析不同状态下悬浮体的悬浮精度,并讨论其影响因素及规律,发现超声挤压膜支承可以达到很高的支承精度,其影响因素主要为激励频率、激励幅值以及悬浮质量等。在此基础上在悬浮试验台上对悬浮精度进行试验研究,发现数值计算结果和试验数据有较大差异,分析认为造成这一差异的主要原因是测试过程中悬浮盘约束困难,激励信号频率不单一、环境干扰、计算模型不够完善等因素,结论可为超声悬浮轴承或微纳米器件悬浮精度设计提供参考。

近场超声悬浮启浮瞬态行为的理论分析及实验测试

超声悬浮气膜瞬态行为的认识对悬浮体运动规律及悬浮精度控制等都有着重要作用。运用气体动力学理论研究超声挤压问题,建立了自由悬浮体瞬态气膜压力及其非线性动力学模型.应用数值方法对模型进行求解,获得超声激励下气体挤压膜在启浮过程中的瞬态压力分布、承载能力以及悬浮盘位移的变化规律。分析发现激励盘振幅、频率等参数对启浮过程的瞬态行为有着显著的影响,激励盘振幅越小、激励频率越高,启浮过渡过程达到稳态所需时间越长。在理论分析的基础上还对瞬态启浮过程进行实验研究,应用激光位移传感器对瞬态悬浮位移进行测试,发现理论分析和实验测试结果一致性较好。

聚焦式超声悬浮机构仿真与试验

在建立超声悬浮机构有限元模型的基础上,计算了悬浮机构的固有频率。应用有限元谐响应分析理论和技术,分别计算了平板式和聚焦式谐振腔的声压分布及声场特性。结果表明,在相同激励条件下,聚焦式超声悬浮的声压较大,表明聚焦式超声悬浮能有效提高悬浮系统的悬浮性能;同时分析了聚焦式超声悬浮系统不同长度谐振腔下的声压分布和声场特性,通过自行研制的超声悬浮系统,进行了相应的试验,验证了仿真结果的正确性。

基于改进粒子群算法的超声悬浮陀螺仪转子位置控制优化设计

为了提高超声悬浮陀螺仪转子位置控制的动态性能,设计了改进粒子群算法优化的转子位置控制器。首先,进行了转子声悬浮力分析;其次,设计了转子系统的位置控制回路;再次,用改进粒子群算法对位置控制器参数进行了优化。仿真结果表明,优化后的陀螺仪转子位置控制系统的动态性能明显改善。

超声悬浮乙醇液滴气动变形与运动特性研究

利用超声悬浮的方法为液滴提供静止、无接触初始条件,用高速摄影机拍摄液滴,研究不同直径乙醇液滴在Weber数5~90,脉冲气流冲击作用下的变形与运动特性。研究结果表明,随着韦伯数的增大,液滴先后产生常见的袋状破碎、袋状/蕊心破碎、羽状/液膜稀释破碎。不同破碎模式在本质上都是袋状破碎,包括边缘环袋破碎与液核多袋破碎。Weber数越大,边缘环袋破碎作用越弱,液核多袋破碎越占据主导地位。乙醇液滴的迎风面顶点纵向运动遵循匀加速规律,其无量纲位移与无量纲时间符合二次函数关系式。液滴在横向的扩散过程分为两个阶段:一个是惯性控制阶段;另一个是毛细效应控制阶段。液滴未破碎时,其横向扩展无量纲直径与上述无量纲位移符合二次函数关系式,而破碎后二次液滴的无量纲扩散直径与毛细时间则符合线性关系式。

Al-Ti熔体中C粉末的超声悬浮与TiC反应

设计了一种电致伸缩式单轴超声悬浮反应系统,在Al-Ti熔体中形成超声驻波,使C粉末悬浮在合金熔体中进行TiC合成反应,以制备Al-3Ti-0.15C晶粒细化剂。通过组织观察和声压分析,研究了C粉末的悬浮情况、合金的组织形态及其形成机制。结果表明:只有在声辐射功率较小的时候,超声波在辐射块与反射板间的熔体中形成声压节点,在声压梯度作用下,使C和TiAl3能稳定地悬浮在声压节点处,而声功率较大时,驻波的二次谐波增加,声压节点消失,C粉末的稳定性破坏;C粉末的反应过程为:超声的空化效应使TiAl3溶解形成活性Ti,并通过Ti、C发生合成反应形成TiC相,同时,对TiC粒子具有热激活作用。

一种可承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承

基于压电驱动原理和超声波近场悬浮技术,提出了一种可同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承方案。此方案只依靠单一激励源即可实现双向支承,结构紧凑,控制简单。为准确预测超声轴承的工作频率和声阻抗,建立了超声轴承的声阻抗网络模型;利用有限元分析(FEA)方法,对超声轴承径向和轴向辐射面的振幅进行了仿真计算;研制了超声悬浮轴承原理样机并开展了轴承悬浮承载能力测试实验。实验结果表明:超声悬浮轴承具有良好的悬浮效果,可承受较大的径向载荷和一定的轴向载荷。此类超声轴承的研究可为未来新型轴承结构的研发开拓新的思路。

超声悬浮及转子振动抑制理论与实验研究

超声悬浮技术可以实现悬浮和减摩功能,减少转子与静子之间的摩擦,而且由超声波产生的悬浮力可以不受悬浮物材料的影响.首先,根据流体动力学推导出超声波挤压膜的基本方程,对其进行理论推导并利用高阶差分方法进行仿真求解;针对气膜力与悬浮间隙、超声波振幅、气压、超声波频率因素的关系进行了分析,讨论了不同参数对超声悬浮性能的影响规律.然后,通过平面气膜力分解与合成推导出凹面气膜力,并研究了转速对其悬浮力的影响.将其施加在不平衡转子系统中,对转子系统的振动响应进行数值仿真,并对各个情况下的结果进行对比,探讨出不同参数下的振动抑制效果.最后,设计了超声悬浮-转子系统的实验台,通过实验测试不同参数下转子系统的振动响应,验证超声悬浮技术对于转子系统的振动抑制作用.

超声悬浮轴承系统振幅衰减自抗扰控制

为提高超声悬浮轴承系统轴系转速的稳定性,设计了自抗扰控制器,即在保证系统的核心器件压电换能器工作在谐振状态的前提下,通过对换能器输出振幅的控制,实现超声悬浮轴承系统稳定运行的控制目标。根据压电换能器的机电等效模型以及实验参数,利用Matlab 7.0软件仿真环境,搭建了Simulink仿真系统,测试了系统的阶跃响应、抗扰动性能。仿真实验结果表明,与PID(Proportion Integration Differentiation)控制器相比,该自抗扰控制器具有较好的响应速度,而且当工况发生变化时,能很好地控制振幅的衰减,抗干扰能力良好。

超声悬浮过程中圆柱体的旋转运动机理研究

研究了圆柱体在超声悬浮过程中的旋转运动机理.实验发现:悬浮圆柱体的密度和长径比越小,转动惯量越小,其稳态旋转的转速越大;反射端在水平方向的偏移会产生回复力矩,使圆柱体停止旋转,且圆柱体静止时的轴线方向与反射端偏移方向垂直;在圆柱体两端加入适当的外界干扰可以主动抑制其旋转.计算表明,悬浮圆柱体的旋转起源于其质心偏移产生的力矩,而反射端位置的偏移以及发射端的倾斜均会抑制圆柱体的旋转.

一维单轴式超声悬浮的实验研究

由声波发射端和反射端构成超声谐振系统,其发射端和反射端间形成超声驻波.在波节处声辐射压的合力可以悬浮微重力样品,称为单轴式超声悬浮;是一种有望成为具有应用价值的无容器处理技术.作者在参加物理第二课堂活动中,对此作了初步的实验研究,成功地悬浮起发泡材料等小物体以及蚂蚁等小动物,并观察研究了它们的悬浮姿态.

基于KRG代理模型的超声悬浮夹具设计

在超精密制造领域,如晶圆、硅片的制造与运输,需要在非接触、超净化条件下进行。为提高非接触式夹具的夹持稳定性,分析了无侧向约束力的超声悬浮夹具存在的不足,设计了一种有侧向约束力的新型超声悬浮夹具。基于KRG代理模型技术,建立了新型超声悬浮夹具的设计模型,并用遗传算法优化了新型超声悬浮夹具的结构参数。为验证新型超声悬浮夹具非接触夹持效果,运用工业视觉测量技术,搭建了试验平台。试验结果表明,新型超声悬浮夹具能够稳定夹持工件。

径向包容式超声悬浮轴承结构优化

为了提高超声悬浮轴承性能,提出了一种径向包容式超声悬浮轴承结构优化设计方法。基于扁壳理论和弹性力学建立了轴承壳体结构固有频率和径向挠度的数学模型,以壳体结构的长、半径、壁厚3个参数为设计变量,以壳体结构的固有频率和径向挠度作为优化目标函数,采用多目标遗传算法进行求解,从求解得到的Pareto解集中选择一组最符合设计要求的解,即长40 mm,半径10 mm,壁厚2 mm作为优化结果。为了验证本文优化方法的有效性,制作了3组轴承进行对比实验。实验结果表明:优化得到的轴承结构兼顾了超声悬浮轴承对固有频率和径向挠度的性能要求,可以产生较大的径向悬浮力,本文的研究方法和结果对设计和制造新型超声悬浮轴承具有重要的指导意义。

近场超声悬浮平台模态振型优化设计及可行性分析

为了避免在传送过程中传送带与精密元件之间的摩擦损伤,设计了一种紧凑型非接触超声传送平台,对其可行性进行理论研究和实验验证。通过ANSYS动力学分析建立对称模型,模拟传送平台的模态和传送平台中心点的谐响应振型,结果显示,不同波数条件传送平台呈现出纯弯曲或混合波驱动状态。对所设计的紧凑型传送平台原型进行扫频实验,验证了超声传送过程的可行性以及悬浮频带和振型。理论及实验结果表明,根据不同使用条件,需要对驱动平台进行模态及承载能力的优化设计。研究成果可为超声悬浮平台模态振型和带宽的设计提供参考。