幂函数型压电超声光纤切割环形换能器的研究

发布时间：2020-05-29 04:36

【摘要】：超声切割技术,如超声切割食品、纺织品、橡胶和复合材料等,具有高效、节能、环保的优点,在机械、冶金、食品、材料、医疗、航空航天等领域有着广泛的应用。近年来,随着超声技术的持续发展,超声切割的应用领域也随之进一步扩大。在切割光纤领域中,传统的切割方式是通过对高强度材料制成的锋利刀片施加下压力来完成光纤的切割,其存在着切割过程复杂、光纤易受污染、光纤截面易产生断裂且刀片使用寿命不长等不足。为满足市场上的需求,提高光纤切割效率,改善光纤切割效果,本文设计了一种新型的幂函数型光纤切割刀以及一种新型的幂函数型压电超声光纤切割环形换能器。主要研究内容如下:(1)基于变厚度圆环的平面应力方程及机电类比原理,推导了沿径向振动的幂函数型环形超声光纤切割刀的机电等效电路、谐振频率方程和径向振动时的位移放大系数公式。讨论了第一、二阶径向共振频率及相应阶数的位移放大系数M随圆环半径比K的变化关系。结果表明,幂函数型环形超声光纤切割刀径向振动的等效电路是一种新型的非互易二端口等效网络;一阶和二阶共振频率随圆环半径比K的增大而增大;一阶径向共振模式下位移放大系数M随圆环内外半径比K的增大先降低后升高,二阶径向共振模式下位移放大系数M随圆环内外半径比K的增大而降低,但二阶时的位移放大系数M整体大于一阶,因此二阶径向共振模式具有更好的径向振动性能。用COMSOL有限元软件对解析理论分析结果进行了验证,仿真模拟结果与解析理论符合良好。(2)在幂函数型环形超声光纤切割刀的等效电路模型基础上,进一步设计了一种幂函数型压电超声光纤切割环形换能器,计算了第一、二阶径向共振/反共振频率及对应阶数的有效机电耦合系数,通过COMSOL有限元软件对解析理论分析结果验证,仿真模拟结果与解析理论符合良好。本文研究结果为幂函数型环形超声光纤切割刀及压电环形换能器的工程应用提供了简明设计理论,文中研究结论为径向超声换能器在光纤切割、橡胶切割以及复合材料切割等领域提供重要理论参考。
【图文】：

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图 1.1 光纤究设计一种新型的超声光纤切割刀，分析影响反共振频率、位移放大系数等。光纤（如图 1.1 一种玻璃石英或塑料制成的纤维，其利用光的全导，由于光纤传导时的衰减小、损耗低、抗外界离的信息传输、通信、传感器、收发器等领域具玻璃纤芯和一层塑料包层组成，切割光纤时需先或其他清洁试剂将光纤擦拭干净，确定好切割长，最后需检查光纤端口是否平滑，，切割质量是否或断裂，将会使光在光纤中产生反射和散射现象产生不必要的损耗，而且还会对光纤切割后的再。因此光纤切割需注意以下几个方面：1、切割要尽量光滑，减少裂痕，切割角度一般在 5 左右不可刮伤光纤。目前市场上的光纤切割主要有：高强度材料制成的锋利刀片施加下压力来切割光

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图 1.2 光纤切割刀 A8图 1.3 超声光纤切割刀 FK1传统的施加下压力方式切割相比较度小于 5 。2、超声切割光纤切割于超声光纤切割刀以超声频率震荡染。3、超声切割光纤所用刀片不长（市场上超声切割光纤刀切割寿命约为 10000 次）。4、超声切割光
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB552

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