分离式超声工具头的能量传输性能研究
发布时间：2021-06-25 11:51
在化工、医药、食品等领域,为提高生产效率,常结合超声波的空化效应来辅助水环境下物质的提取、分离、破碎、乳化等。超声工具头长时间作用在水环境中,会发生空化腐蚀并伴有失重现象,这严重制约了其使用寿命,增加成本。本文设计了工作端部可拆卸的分离式超声工具头结构,首先对无装配凹槽和两种不同位置加工有装配凹槽的工作端部结构进行了声固耦合有限元分析,量化工具头工作端面声能量衰减的情况;其次利用分离式工具头进行空蚀实验,研究了分离式工具头的空蚀效果。结果表明,中间凹槽工具头工作端部结构的声能量衰减较小、空蚀效果较好且便于装配,可作为分离式工具头的最终结构。
【文章来源】：计量与测试技术. 2020,47(11)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图1 分离式工具头结构
本文考虑到便于装配在端部盘上进行了凹槽设置，设计了三种端部盘结构，如图2所示。结合声结构耦合的仿真分析和空蚀实验，分别研究了这三种端部盘结构的声能量传输情况。带有变幅结构的工具头具有放大系数大、工作端振幅大和制造简单等优点，广泛应用于功率超声领域。[19]多采用强度高、耐腐蚀、耐热性好、阻抗性好的钛合金材料。本文选用工具头中常用的TC4(Ti-6Al-4V)[20-21]合金为材料，基于常见超声发生器和换能器的工作频率28k Hz，根据工作频率和材料参数，[22]计算了纵波声速及波长，如表1所示。
为研究分离式工具头的功率传输性能，本文首先利用有限元软件COMSOL Multiphysics对工具头辐射端面附近的声场分布以及工具头端面位移进行了量化分析。考虑到工具头装配凹槽的设置，中间凹槽和前端凹槽两种结构的声场模型为非中心对称模型，无法用二维模型描述，因此在模型向导里选择三维模型。分析模块选择声-结构相互作用模块，研究选择频域分析。声场、位移计算模型如图3所示，包括工具头、空气域、水域和完美匹配层(PML层)。PML层模拟无穷远处水域空间的声场分布，无反射地吸收所有入射波。指定仿真模型里的域和边界，并从内置材料库里选取相应的材料。对变幅杆法兰盘的圆周面施加固定约束，对工具头大端面施加指定位移，方向为X正方向，位移值设置为10μm,Y、Z方向位移为零。声场模型的网格尺寸要求最大单元尺寸为声波在介质中传播波长的1/6，其中，PML层的网格划分沿厚度方向不低于8层。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声波变幅杆材质对焊接强度的影响分析[J]. 徐中,黄禹,陈志,丁斌. 橡塑技术与装备. 2016(12)
[2]大铸锭铝熔体中超声振动系统空化区域分析及实验研究[J]. 董方,李晓谦,张敏. 中南大学学报(自然科学版). 2015(10)
[3]铝熔体中超声辐射杆的空蚀实验及机理研究[J]. 董方,李晓谦,张敏. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(02)
[4]基于超声多重反射法测量高衰减流体媒质声阻抗及浓度[J]. 孟瑞锋,刘振锋,钟建军,张丽芬,叶兴乾,刘东红. 农业工程学报. 2011(12)
[5]QDFM-125型超声波软管封尾机变幅杆的改进设计[J]. 成全,陆志猛,刘国东,祝锡晶. 包装工程. 2009(11)
[6]二端口网络在功率超声设计中的应用[J]. 郑书友,徐西鹏. 声学技术. 2007(03)
[7]带过渡段阶梯形变幅杆的有限元分析[J]. 贾杨,沈建中. 声学技术. 2006(01)
本文编号：3249162
【文章来源】：计量与测试技术. 2020,47(11)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图1 分离式工具头结构
本文考虑到便于装配在端部盘上进行了凹槽设置，设计了三种端部盘结构，如图2所示。结合声结构耦合的仿真分析和空蚀实验，分别研究了这三种端部盘结构的声能量传输情况。带有变幅结构的工具头具有放大系数大、工作端振幅大和制造简单等优点，广泛应用于功率超声领域。[19]多采用强度高、耐腐蚀、耐热性好、阻抗性好的钛合金材料。本文选用工具头中常用的TC4(Ti-6Al-4V)[20-21]合金为材料，基于常见超声发生器和换能器的工作频率28k Hz，根据工作频率和材料参数，[22]计算了纵波声速及波长，如表1所示。
为研究分离式工具头的功率传输性能，本文首先利用有限元软件COMSOL Multiphysics对工具头辐射端面附近的声场分布以及工具头端面位移进行了量化分析。考虑到工具头装配凹槽的设置，中间凹槽和前端凹槽两种结构的声场模型为非中心对称模型，无法用二维模型描述，因此在模型向导里选择三维模型。分析模块选择声-结构相互作用模块，研究选择频域分析。声场、位移计算模型如图3所示，包括工具头、空气域、水域和完美匹配层(PML层)。PML层模拟无穷远处水域空间的声场分布，无反射地吸收所有入射波。指定仿真模型里的域和边界，并从内置材料库里选取相应的材料。对变幅杆法兰盘的圆周面施加固定约束，对工具头大端面施加指定位移，方向为X正方向，位移值设置为10μm,Y、Z方向位移为零。声场模型的网格尺寸要求最大单元尺寸为声波在介质中传播波长的1/6，其中，PML层的网格划分沿厚度方向不低于8层。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声波变幅杆材质对焊接强度的影响分析[J]. 徐中,黄禹,陈志,丁斌. 橡塑技术与装备. 2016(12)
[2]大铸锭铝熔体中超声振动系统空化区域分析及实验研究[J]. 董方,李晓谦,张敏. 中南大学学报(自然科学版). 2015(10)
[3]铝熔体中超声辐射杆的空蚀实验及机理研究[J]. 董方,李晓谦,张敏. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(02)
[4]基于超声多重反射法测量高衰减流体媒质声阻抗及浓度[J]. 孟瑞锋,刘振锋,钟建军,张丽芬,叶兴乾,刘东红. 农业工程学报. 2011(12)
[5]QDFM-125型超声波软管封尾机变幅杆的改进设计[J]. 成全,陆志猛,刘国东,祝锡晶. 包装工程. 2009(11)
[6]二端口网络在功率超声设计中的应用[J]. 郑书友,徐西鹏. 声学技术. 2007(03)
[7]带过渡段阶梯形变幅杆的有限元分析[J]. 贾杨,沈建中. 声学技术. 2006(01)
本文编号：3249162
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3249162.html
