大尺寸三维超声振动系统的智能优化设计

对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制,优化系统的性能,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制,提高系统振幅分布均匀度,且可以通过改变声子晶体结构的配置参数人为地实现对大尺寸三维超声振动系统性能的调控.但过多的设计参数必然会增加系统设计的复杂度,且目前大尺寸三维超声换能器系统的优化设计依赖于经验试错法,设计效率和成功率较低,性能也无法保证.研究引入同质位错、点缺陷结构对大尺寸三维超声振动系统进行优化设计,并利用数据分析技术评价了同质位错、点缺陷结构的配置对系统辐射面的纵向位移振幅、振幅分布均匀度、辐射声功率、工作带宽等的影响规律,建立了同质位错结构、近周期缺陷结构的结构参数——大尺寸超声换能器系统性能的预测模型,实现了对大尺寸功率超声换能器系统的智能设计,提高了设计效率和成功率,降低了设计成本.

新型柱孔式模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统

为了改善基于螺旋槽结构和斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统存在的结构复杂、扭转分量较小等问题,论文提出了基于新型柱孔式复合变幅杆的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统,并利用有限元法和数据分析对其进行了仿真分析。结果表明,引入新型柱孔式复合变幅杆的系统的输出端面的剪切应力、旋转角度得到了大幅提升,能够有效地提高纵-扭振动的转换效率。

超声振动系统的四端网络设计方法及其应用

从变截面杆作一维纵振动的运动方程出发，建立了机械四端网络的数学模型及传输特性方程，给出了几种常用变截面杆的四端网络传输参数。分析了超声换能器和变幅杆的频率方程及两端振速比，计算了超声手术刀振动系统的振型及应力分布。四端网络设计方法可有效地设计各种换能器。变幅杆以及由它们组合的复杂振动系统。

锁相环跟踪超声振动系统谐振频率的改进

锁相式频率跟踪超声发生器的频率跟踪范围较小且易出现死锁现象,通常要人为重新启动,系统才能恢复跟踪状态,在应用时会带来麻烦。根据超声振动系统的等效电路研究其阻抗特性,并通过实验绘制换能器特性曲线,分析应用CD4046跟踪串联谐振频率容易造成死锁的具体原因,提出带解锁的频率跟踪系统的方案。实验结果表明此方案有较大的跟踪调节范围与较强的适应负载变化的能力,对超声发生器的具体应用有一定的参考意义。

超声振动系统设计及性能分析的解析方法

在分析与推求变截面杆纵振动控制方程及其通解的基础上，给出了超声振动系统设计及性能分析的解析过程中所采用的一些基本公式。结合范例，介绍了用解析法进行超声换能器、变幅杆及其组合谐振系统的设计及性能分析的基本步骤。

压电传感器在超声振动系统中的设计与应用

将压电原理用于实现超声振动系统的频率自动跟踪。在振动系统设计中加入压电传感片 ,压电传感片跟随系统振动 ,并产生感应电压。谐振时 ,感应电压达到最大值 ,搜寻感应电压最大值就能实现频率自动跟踪。压电传感器的设计可以采用四端网络法 ,该方法简单实用。为达到最佳灵敏度 ,应该尽可能让压电传感器靠近振动系统节面位置。压电传感器设计简单 ,实现容易 ,跟踪精度高 ,并且稳定可靠。

超声振动系统f_s和Q_m的实验测定及对比研究

以整个超声振动系统为研究对象,根据力电类比原理,利用计算机辅助测量导纳圆。基于导纳圆求得不同工况下振动系统的谐振频率fs和机械品质因数Qm。对比研究其变化规律并对其变化原因进行定性分析。研究表明,fs、Qm随工具杆工作深度的增加而普遍降低;负载温度越高,fs、Qm下降越明显;负载粘度增大,fs、Qm均有不同程度的降低;负载横截面积增大,fs略有提高,而对Qm的影响相对较小。在此基础上,同时考虑生产条件及加工要求,确定振动系统与超声波发生器的最佳电端匹配,对铝合金超声铸造具有一定的参考价值。

B2功率超声振动系统的电声效率测量

本文用导纳圆图法和谐振导纳计算法，分别对用于超声清洗和塑料焊接的两个振动系统的电声效率进行了测量。结果表明在小信号和功率输出下，其电声效率基本相等。测量误差不超过±１５％。为通过电声效率和电功率测量。

扭转超声振动系统中局部共振的研究

本文从扭转振动波动方程出发,推导出了具有类圆锥过渡段的复合阶梯型扭转变幅杆的频率方程解析表达式。从实验和理论上对该复合变幅杆的谐振频率随杆细端长度和直径的变化进行了测量和计算。通过对比,证明了复合振动系统中局部扭转共振现象的存在,并得到了其产生条件。

大功率纵-弯超声振动系统的研究

本文研究了一种大功率纵－弯复合模式超声振动系统。该系统由两个纵向大功率夹心式压电超声换能器及一个均匀截面直棒组成。文中给出了该振动系统的具体结构及其共振频率设计方程。根据均匀直棒的纵向及弯曲振动理论，导出了振动系统中纵向及弯曲振动同频共振的条件。实验结果证明，该系统的测试频率与理论频率基本一致，并且系统中纵向及弯曲振动的共振频率测试值也基本一致，同时，其大功率辐射性能也较好。由于该系统由两个相同的换能器激发，且系统中纵向及弯曲振动的共振频率相同，因此，该系统的超声频激发电源只需一个。

超声能量在超声振动系统中的传递

能量是否能在超声振动系统中有效传递是功率超声的一个非常关键的问题， 它关系到超声加工能否进行以及加工效率的问题。通过对超声能量在超声振动系统中的传递过程的了解， 分析在传递过程中影响超声能量传递的因素， 从理论上提出一些提高效率的具体手段和方法。

一种测量功率超声振动系统振速比的简单方法

本文提出了一种测量功率超声振动系统中振动速度比的简单方法。与传统的测量方法相比，本方法将力学量转变为电学量的测量，将绝对测量变成了相对测量，降低了对实验设备的要求，有利于提高测试精度。

周期性扇形孔结构对斜槽型纵扭复合模态超声振动系统性能的影响

为了解决基于斜槽结构的模式转换型纵扭复合模态超声振动系统存在的扭转分量较小、纵扭转化效率较低的问题,论文对基于周期性扇形孔和斜槽结构的模式转换型纵扭复合模态超声振动系统进行了研究,主要仿真分析了扇形孔结构参数对基于斜槽结构的模式转换型纵扭复合模态超声振动系统谐振频率、扭转振幅、旋转角度和剪切应力的影响规律,并找到使系统获得最佳纵扭转换效率的扇形孔结构参数,且求解出扇形孔结构的引入对系统性能的改善幅度。

超磁致伸缩超声振动系统的机电转换效率研究

为提高超声振动系统的能量转换效率和功率容量,提出超磁致伸缩超声振动系统的设计方法,研究导磁体材料特性对超声系统振动性能的影响规律。采用硅钢、铁氧体和磁粉心三种磁性材料设计导磁体,并建立超声振动系统的等效电路模型;通过阻抗分析建立3种超声振动系统的阻抗圆曲线,得到谐振频率和机电转换系数等参数,提出导磁材料特性对系统机电能量转换效率的影响规律。为验证阻抗分析结果的正确性,试验测定3种超声系统在不同电压幅值激励下的振幅-电流灵敏度与频率的关系曲线,验证导磁材料参数与系统机电能量转换效率之间的关系。结果表明:高磁导率铁氧体材料可提高超声振动系统在小功率工作条件下的机电能量转换效率,而对于大功率超声振动系统而言,需要兼顾磁导率和饱和磁通密度,使导磁体工作于非磁饱和状态,以提高系统换能效率,这有助于指导不同功率大小超声振动系统的导磁体材料选择。

主轴微细超声振动系统的微振幅测量

在微细超声加工与微细超声振动辅助加工中,微振幅是关键的加工参数,直接影响到加工精度与加工效率。对于只有几μm甚至更小的振幅,很难用传统的振幅测量方法测量出来。针对主轴微细超声振动系统输出的微振幅,提出了一种新的微振幅在线测量方法。利用精密微三维运动平台的高分辨率,将平台A轴的运动与微细工具所受实时力结合起来,使其形成闭环运动控制系统。通过设定相同的接触力,计算有超声与无超声作用于微细工具A轴坐标值的变化,即可获得微细工具的振幅值。应用这一新的振幅测量方法,成功地测量出精确到0.1μm的振幅值。

高功率超声振动系统探讨

"超声化学"的发展拓展了功率超声的应用,而对超声振动系统装置设计和加工的要求更高。通过分析,指出了高功率超声振动系统研制中的一些关键问题,特别对变幅杆的不同形式作了比较和计算分析,最后对大功率超声振动系统进行了一体化设计。

超声振动系统中横向波导杆的计算

问题是这样提出来的:有的超声应用中,要用到超声弯曲振动杆件,尤其是超声焊接中,常用这种弯曲振动杆件。但是,在使用中,发现设计频率和实测频率差别较大,往往和其他振动元件配合不上,即使勉强凑在一起,振动寿命也短。特别对大功率的超声弯曲振动杆件,设计频率和实测频率差别更大,有的相差20％以上,振动系统的寿命就更短了。制作一个振动系统,来回加工周期要好几个月,经过试验,有的就根本用不成。

陶瓷基复合材料超声振动辅助加工技术研究现状

陶瓷基复合材料具有高硬度、高强度、高耐磨性和耐腐蚀性等一系列优点,在航空航天、特种防护等领域具有极大的应用前景,同时陶瓷基复合材料的高精度高效率加工依靠传统机械生产方式难以实现。超声振动辅助加工技术在陶瓷基复合材料的深小孔、薄壁和复杂型面加工等领域应用日益广泛,并形成了特有的行业体系,是精密、超精密制造领域发展的重要方向。针对近年来陶瓷基复合材料的超声振动辅助加工技术的发展状况,概述了陶瓷基复合材料和超声振动系统的研究现状,系统介绍了陶瓷基复合材料加工领域超声振动辅助磨削、钻削以及旋转超声加工和微细超声加工的应用和研究现状,并对超声振动辅助加工技术的应用趋势进行了总结和展望。

超声振动系统的研究现状及其在塑性成形领域的应用进展

超声辅助塑性成形技术具有降低成形载荷、改善接触状态并提高成形件质量等特点,是一种新兴的特种能场辅助塑性成形技术。在超声辅助塑性成形技术中,超声振动系统及其谐振设计理论和方法对成形件的质量有重要影响。本文综述了超声振动系统的谐振设计理论和方法及其应用研究现状,单激励一维、单激励多维、多激励一维和多激励多维等超声振动方式的超声振动系统研制现状,以及现有的超声辅助拉拔、超声辅助拉深、超声辅助挤压和超声辅助轧制等超声辅助塑性成形技术的原理和特点。指出了大负载工况、复杂结构和多维度等超声振动系统存在的系统稳定性差和极限工作状态预测精度低等问题,以及现有超声辅助塑性成形技术由于超声布置方式不合理、功率不足导致的超声能量损耗大、作用效果不明显等问题。最后,从人工智能等先进设计分析手段的应用、大功率超声振动系统的研制以及多激励耦合超声辅助塑性成形新技术的开发等方面展望了超声辅助塑性成形技术的发展方向。

锥变截面管形超声振动系统的设计

设计了一种锥变截面管形超声振动系统,振动系统由夹心式压电换能器和锥形变截面金属圆管组成。推导了锥变截面管形超声振动系统的等效电路和谐振/反谐振频率方程。利用等效电路法、有限元法对锥变截面管形超声振动系统进行了分析设计并制作了相应的实验样品。研究结果表明,锥形变截面管的等效电路为一种新型的非互易二端口等效网络;锥变截面管形超声振动系统具有较好的频率隔离性、较大的位移振幅和均匀的振动位移输出。该超声振动系统可望在超声连续缝焊、环形部件的超声切割和超声钻孔等领域获得应用。