基于超声导波的螺栓轴向应力测量方法

风电叶片是风力发电机的核心部件,叶片螺栓不仅是承受复杂应力的零件,也是承受最高负载的零件。为避免螺栓断裂造成危险隐患和经济损失,设计了一种基于超声导波的在役螺栓轴向应力测量系统,可实现对多种型号螺栓轴向应力的精确测量。首先,通过数值计算得到超声导波群速度频散曲线,基于胡克定律和声弹性效应建立了螺栓轴向应力与超声导波声时的线性数学模型,并在COMSOL软件中通过仿真验证了单纵波换能器实现超声导波应力测量的有效性。然后,针对超声导波回波信号模态混叠以及实际测量中噪声对超声导波声时测量结果的干扰,利用基于回波补偿的降噪算法实现了对实际测量信号的降噪处理,并采用经验小波变换算法对超声导波回波信号进行了模态分解,利用互相关法得到超声导波模态的精确声时。最后,通过实验测试完成了18种型号的螺栓在30%~90%屈服强度内的轴向应力的精确测量,相对测量误差小于2%。研究结果有助于改进螺栓装配工艺以及规范工人操作流程。

复合材料板的空耦超声Lamb波原位应力测量方法

为了实现大部件复合材料板的原位应力测量,提出了基于Lamb波的复合材料板空气耦合超声应力测量方法。目前,由于空耦超声换能器声阻抗的严重不匹配导致能量损失严重、空耦超声信号较为微弱,在声学特征准确提取上难度较大。与此同时,空耦超声Lamb波应力测量方法在复合材料中的应用仍处于理论与实验的探索阶段。通过实验方法探究碳纤维复合材料的Lamb波声弹性效应规律。根据复合材料板相速度与最佳入射角频散特性分析确定了空耦超声换能器的中心频率与相对纯净A0模态Lamb波的激励方式,使空耦超声Lamb波具有较好的信噪比,保证声时提取的准确度。为了验证所提出方法的有效性,分别沿着0°、15°、30°、45°、60°、75°以及90°纤维方向获得7个不同的拉伸试样进行应力测量。实验结果表明,在0~100 MPa范围内测量误差小于±8.1 MPa,测量重复性为7.5 MPa。该方法在测量精度和测量重复性等方面具有显著优势,可为大部件复合材料板的原位应力测量提供一种先进可行的技术。

超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器

针对微电子光刻机等高端装备中提出的超精密、高速位移测量需求,哈尔滨工业大学深入探索了传统的共光路外差激光干涉测量方法和新一代的非共光路外差激光干涉测量方法,并在高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术方面取得持续突破,研制了系列超精密高速激光干涉仪,激光真空波长相对准确度最高达9.6×10^(-10),位移分辨力为0.077 nm,光学非线性误差最低为13 pm,最大测量速度为5.37 m/s。目前该系列仪器已成功应用于我国350 nm至28 nm多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域,为我国光刻机等高端装备发展提供了关键技术支撑和重要测量手段。

基于等效磁路法的电磁力发生器单磁路优化设计

单磁路电磁力发生器在音圈执行器和振动计量等领域具有广泛的应用,其关键是通过合理的结构设计在磁路气隙中产生具有高分布均匀性的强磁场。提出一种基于等效磁路法的电磁力发生器单磁路解析模型及结构优化设计方法,以典型单磁路为研究对象,基于等效磁路原理和集总参数法建立了气隙磁感应强度分布关于结构尺寸的解析理论模型,并采用有限元仿真验证了理论模型的正确性,二者相对误差约为2.5%,且理论计算较有限元仿真可提高约2000倍的计算效率。分析了各结构尺寸对气隙平均磁感应强度及其分布不均匀性的影响,并通过优化设计获得了较优的结构参数。优化分析结果表明,采用该方法可将气隙平均磁感应强度提升约150%,磁感应强度分布不均匀性减小约29%。

双级驱动隔振系统反共振频率控制器设计与验证

为了解决扫频过程中隔振器不能很好地隔离扫频频率在0Hz和固有频率之间的平台基座惯性力的干扰,提出一种双级驱动主动隔振系统的可调反共振频率控制器。对双级驱动主动隔振系统的运动学模型、可调反共振频率控制器及参数设计等进行了研究。首先,根据设计的双级驱动主动隔振系统建立其运动学模型。接着,基于系统的反共振频率特性提出了可调反共振频率控制器及其参数设计。然后,分析可调反共振频率控制的隔振性能。最后,搭建实验平台进行实验验证。实验结果表明:从0到初始反共振频率,闭环传递率小于-15 dB。此外,通过改变控制器的参数,附加的反共振频率可以在0 Hz和初始反共振频率之间调节。且在附加反共振频率附近,闭环传递率小于-30 dB。利用该控制器,有效载荷的扰动幅度从4 mm·s^(-1)衰减到0.5 mm·s^(-1),平台基座的冲击扰动降低了87.5%。双级驱动主动隔振系统配合可调反共振频率控制器可以通过跟踪扫频干扰实时调整反共振频率点,可应用于半导体制造业超低振动要求的扫频环境,达到良好的隔振效果。

能量天平精密无固有力低漏磁电磁阻尼器的设计与应用

针对能量天平试验中力矢量加载引起悬挂系统持续摆动给测量引入系统误差的问题,提出一种同时兼顾悬挂线圈和砝码托盘的精密被动电磁阻尼器。该电磁阻尼器基于磁场的涡流效应,由金属阻尼片和永磁体组成。为了避免置于磁场中的弱磁性阻尼片给天平称重引入附加力,阻尼片由抗磁性材质和顺磁性材质按一定比例采用“铜-铝-铜”三层复合结构组合而成,复合型阻尼片在磁场中静止时受力被抵消。此外,为了避免阻尼器泄漏的强磁场磁化精密金属砝码,电磁阻尼器外设计组合式磁屏蔽罩:内部单层电工纯铁屏蔽罩和外部双层坡莫合金屏蔽罩。设计的阻尼器及其屏蔽罩进行有限元仿真分析、试验验证,结果表明,复合阻尼片静止时,固有力约为0.92μg;电磁阻尼器在称重砝码位置的外泄磁场约为5.04μT,小于地磁场量级;阻尼器将原有悬挂系统摆动时间缩短约88.3%;设计的阻尼器总体满足能量天平试验要求。