Spherical-Cymbal换能器位移特性有限元分析

提出了一种新型的Spherical-Cymbal压电复合换能器,Spherical-Cymbal换能器由厚度方向极化的压电陶瓷薄圆片夹持在两个球形金属端帽之间制成,每个金属端帽内表面均有一个浅球冠形空腔,球形金属端帽起机械放大作用,它将压电陶瓷薄圆片的微小径向位移转换并放大为垂直其表面的较大的轴向位移。分析了影响Spherical-Cymbal换能器轴向位移性能的几何因素及物理因素,采用ANSYS软件对Spherical-Cymbal换能器位移特性进行了仿真。

基于正交实验的Spherical-cymbal换能器谐振频率优化

基于板壳振动理论建立了spherical-cymbal换能器谐振频率近似模型,为得到该换能器在约束条件下的最低谐振频率,采用正交实验法对其进行了优化设计,找出了各设计因素对spherical-cymbal换能器谐振频率影响的主次顺序,得到了约束条件下各设计因素的最佳水平。在各设计因素最佳水平综合搭配下,优化的spherical-cymbal换能器的谐振频率达到最小值19.004 k Hz,完全满足设计目标要求。对最优方案样品的一阶谐振频率进行了测试,实测谐振频率均值为19.27 kHz,相对误差1.4%,表明设计方案是正确合理的。

Spherical-cymbal换能器静水压性能研究

对Spherical-cymbal换能器的静水压性能进行了研究。采用有限元法计算了该换能器在静水压下的米塞斯等效应力,找出了其所能承受的极限静水压。研究了金属端帽几何尺寸及端帽材料对Spherical-cymbal换能器耐压极限的影响,结果表明,空腔深度、端帽厚度及端帽材料对该换能器耐压性能影响显著;对比研究表明,参考尺寸下的Spherical-cymbal换能器比传统Cymbal换能器具有更高的耐压极限。

Spherical-Cymbal换能器端帽自由胀形过程建模

为掌握Spherical-Cymbal换能器端帽自由胀形的成形规律,在端帽材料选定、几何尺寸(包括外径D、空腔底部直径dc和厚度te)及胀形压边力不变且线性加载等约束条件下,采用ANSYS/LS-DYNA软件对几种不同加载终压P下端帽的自由胀形成形过程进行了数值模拟。通过非线性曲线拟合分别得到了加载后端帽中心高度与加载终压(HP-P)、卸载回弹量与加载终压(ΔH-P)及卸载后端帽中心高度与加载终压(H-P)之间关系的数学模型。实验结果表明,在以上约束条件下,所建数学模型揭示了Spherical-Cymbal换能器端帽的自由胀形成形规律,可用于指导实际生产。