超声切割负载对超声切割声学系统稳定性的影响研究
发布时间：2017-08-09 21:05
本文关键词：超声切割负载对超声切割声学系统稳定性的影响研究
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【摘要】：复合材料以其良好的性能在航空船舶等领域得到广泛的应用,如蜂窝复合材料和碳纤维复合材料等。复合材料与普通材料相比,不仅仅是其材料本身的属性特殊,更重要的是其复合而成的结构复杂性,正是由于以上两点导致了复合材料的难加工性。传统加工复合材料采用的是高速铣削的方式,这种方式确实能高效地对复合材料进行加工,但加工过程中产生大量对人体有害的粉尘,同时加工之后的复合材料本身的表面质量并不是十分的理想。针对复合材料加工中出现的问题,有学者提出采用超声加工的方式来改进以上出现的问题。本文所研究的超声切割加工是针对复合材料粗加工所提出的,但现有关于超声切割的研究尚不成熟,尤其是在稳定性方面,在受到负载的情况下,超声切割系统容易出现停振发热等现象。本文以超声切割声学系统为研究对象,针对受负载影响之后的声学系统稳定性进行研究。主要的研究内容及成果如下:(1)目前针对超声切割声学系统的设计都是将声学系统分散成压电换能器变幅杆等单元单独设计,即使是现有针对负载的分析也只是对变幅杆而言,但负载实际的作用对象却是整个系统。本文利用四端网络法将压电换能器变幅杆和负载三者统一,建立超声切割声学系统的整体理论模型,并得出负载—阻抗,负载—电流—振幅等相关表达式,利用MATLAB将负载对声学系统的参数影响图像化,为后面针对具体的负载分析奠定了理论基础。(2)针对刀具负载在设计中无法进行参数化分析的问题,利用ANSYS软件将刀具与系统模型化,将增加刀具负载之后的声学系统与空载时的声学系统进行对比,仿真结果表明刀具的质量越大,声学系统的纵振阶谐振频率就会越小。同时,在同等输入振幅的情况下,刀具质量越重,输出端振幅就越小。利用阻抗分析仪和激光位移传感器对声学系统的阻抗特性及输出位移进行检测,实验结果表明,增加刀具负载之后声学系统谐振频率减小,谐振时阻抗值变大,系统的能量转换效率变低。实验的结果为后期设计刀具提供有力的参考。(3)针对受到超声切割力负载之后系统出现停振,杂声等现象,本文首先对超声切割力模型进行分析,将超声切割力沿声学系统坐标系分解,分别对三个方向的运动和分力进行分析。利用数显式推拉力计对声学系统施加三个方向的力,再对整个声学系统的性能进行检测。之后,在搭建的超声切割平台上对声学系统在实际切割时的声学性能进行检测。实验得出了受力与谐振频率偏移量,振幅,阻抗值等之间的关系,为实际加工的工艺提供理论指导。
【关键词】：超声切割 声学系统 刀具负载 力负载 阻抗 谐振频率 振幅
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG663
【目录】：
- 摘要5-6
- ABSTRACT6-10
- 第一章 绪论10-22
- 1.1 超声加工的发展10
- 1.2 超声加工的分类10-14
- 1.2.1 超声磨料加工10-12
- 1.2.2 超声复合加工12-14
- 1.3 超声切割技术在复合材料领域的应用14-15
- 1.4 超声切割声学系统的研究现状15-20
- 1.4.1 超声波发生器的研究现状15-17
- 1.4.2 换能器的研究现状17-18
- 1.4.3 超声变幅杆的研究现状18-19
- 1.4.4 超声切割负载的研究现状19-20
- 1.5 课题的来源、研究意义与目的、技术路线及主要研究内容20-21
- 1.5.1 课题的来源20
- 1.5.2 论文研究的目的及意义20
- 1.5.3 论文的主要研究内容20-21
- 1.6 本章小结21-22
- 第二章 基于四端网络法的负载声学系统设计理论22-36
- 2.1 前言22
- 2.2 超声变幅杆的四端网络法设计理论22-25
- 2.2.1 超声变幅杆的等效四端网络模型22-24
- 2.2.2 超声变幅杆的性能参量24-25
- 2.3 压电换能器的四端网络设计理论25-29
- 2.3.1 压电陶瓷的四端网络模型25-28
- 2.3.2 前端盖的四端网络模型28-29
- 2.4 带负载的超声切割声学系统理论模型29-35
- 2.4.1 带负载超声切割声学系统参数推导29-30
- 2.4.2 带负载超声切割声学系统阻抗参数分析30-31
- 2.4.3 带负载超声切割声学系统参数数值计算31-35
- 2.5 本章小结35-36
- 第三章 带负载超声切割声学系统有限元仿真36-52
- 3.1 前言36
- 3.2 空载超声切割声学系统的有限元仿真36-42
- 3.2.1 空载超声切割声学系统的模态分析36-39
- 3.2.2 空载超声切割声学系统的谐响应分析39-42
- 3.3 带刀具负载的超声切割声学系统有限元分析42-46
- 3.3.1 带刀具负载的超声切割声学系统的模态分析42-44
- 3.3.2 带刀具负载的超声切割声学系统的谐响应分析44-46
- 3.4 受超声切割力的超声切割声学系统有限元仿真46-51
- 3.4.1 受超声切割力的超声切割声学系统预应力模态分析46-48
- 3.4.2 受超声载荷力的超声切割声学系统的瞬态动力学仿真48-51
- 3.5 本章小结51-52
- 第四章 刀具负载对超声切割声学系统影响实验52-61
- 4.1 前言52
- 4.2 实验设备及参数52-54
- 4.2.1 实验设备52-53
- 4.2.2 实验设备参数53-54
- 4.3 刀具负载实验及数据分析54-60
- 4.3.1 刀具负载对超声切割声学系统谐振阻抗的影响55
- 4.3.2 刀具负载对超声切割声学系统谐振频率的影响55-56
- 4.3.3 刀具负载对超声切割声学系统的能量转换效率的影响56-57
- 4.3.4 刀具负载对超声切割声学系统能量传递效率的影响57-59
- 4.3.5 刀具负载对超声切割声学系统输出振幅的影响59-60
- 4.4 本章小结60-61
- 第五章 超声切割力负载对超声切割声学系统的影响实验61-70
- 5.1 前言61
- 5.2 超声切割力模型分析61-63
- 5.2.1 Z方向受力分析61-62
- 5.2.2 X方向受力分析62
- 5.2.3 Y方向受力分析62-63
- 5.3 实验设备63-66
- 5.3.1 硬件63-64
- 5.3.2 软件64-66
- 5.4 超声切割力实验及分析66-67
- 5.5 单向力实验67-68
- 5.5.1 单向力对声学系统阻抗值的影响67-68
- 5.5.2 单向力对声学系统的谐振频率的影响68
- 5.6 本章小结68-70
- 第六章 结论与展望70-72
- 6.1 结论70-71
- 6.2 展望71-72
- 致谢72-73
- 参考文献73-77
- 附录77
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，本文编号：647283
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