超声固接金属增材制造压电振子的动力学建模与结构设计

发布时间：2020-08-08 17:34

【摘要】：超声固接是基于片层压原理的金属增材制造技术,通过高频振动与静压力作用,实现金属箔材间的固态冶金结合,并通过逐层固接的方法实现高性能结构的制造,是一种实现先进材料与结构低成本、绿色制造的新方法。压电振子是超声固接设备中产生振动并实现能量转换的核心部件,也是本文的主要研究对象。在固接过程中,压电振子处于复杂的边界条件下,同时涉及机械夹持和摩擦,这对系统的动力学特性的影响显著,从而对材料固接后的性能产生直接影响。高效准确的动力学分析方法是实现压电振子结构优化设计的关键。本文聚焦超声固接设备中的压电振子,具体研究内容如下:1、概述了金属增材制造技术及其原理分类,论述了超声金属增材制造的优越性及发展趋势,详述了超声固接技术的原理。然后聚焦超声固接设备的核心部件——压电振子,提出了本文的主要研究问题。2、对压电振子建模方法进行介绍,通过对比几种常用动力学建模方法的特点表述了传递矩阵法建立压电振子动力学耦合模型的优势。详细推导了传递矩阵法建立动力学耦合模型的具体方法和步骤。3、基于传递矩阵法建立了压电振子结构的动力学耦合模型,利用Matlab对传递矩阵动力学模型进行求解,获得谐振频率、振速比、振型、最大输出振幅等动力学响应结果。4、利用有限元分析软件Ansys建立了同一压电振子的有限元模型。利用两种方法建立的动力学模型分别进行仿真计算,通过计算结果的对比分析验证模型。两个模型计算得到的谐振频率、振速比、焊头最大振幅的相对误差分别为2.8%、3.9%、6.7%,验证了传递矩阵法建立的动力学耦合模型的有效性。5、利用所建立的传递矩阵模型对压电振子结构参数进行优化分析。首先介绍了利用传递矩阵模型对压电振子进行结构尺寸优化的具体思路,然后通过该优化思路以压电振子结构的谐振频率(20kHz)为设计目标对其结构尺寸进行优化分析,通过调整结构尺寸,压电振子的谐振频率从20.9kHz降为为20.04kHz。此外,利用传递矩阵法建立的半波换能器动力学模型,探讨了推完式压电振子系统中两个对称分布半波换能器的电激励匹配方式。通过上述工作,本文建立了针对超声固接设备压电振子结构的动力学耦合模型,并提出了利用该模型对压电振子进行结构优化设计的方法与步骤,为下一步针对已设计新型压电振子结构研究奠定基础。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB559;TP391.7
【图文】：

定向能量沉积工艺系统通用图

粉末床熔合工艺系统通用图

图1.3层片叠加制造技术原理图

【参考文献】

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本文编号：2785883