超声波/声波钻探器的设计与试验
发布时间：2020-12-17 16:04
为了满足深空探测中钻探取样的需求,提出了一种基于超声波/声波能量耦合机理的新型钻探器,对其进行结构动力学分析和参数化设计。考虑接触边界条件,建立了超声波/声波钻探器冲击动力学模型,利用显式算法对钻探过程中的应力分布进行了分析。根据分析结果确定了设计方案,对压电换能器进行了模态试验,并利用高速摄影系统对自由质量的运动进行分析,对样机进行了钻探试验,得到了相应的钻探性能,初步得到了自由质量的运动规律与钻探性能的关系。试验结果表明,通过配备恰当的自由质量,可以获得较好的钻探效果,在深空探测方面具有一定的实用价值。
【文章来源】：振动.测试与诊断. 2013年02期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
超声波/声波钻探器示意图
(主要为纵振),并通过其变幅杆将振幅放大。通过变幅杆顶端的纵振以冲击的方式将能量传递到自由质量,自由质量开始在头部和钻杆之间做声波频率的往复碰撞,能量通过自由质量的碰撞与冲击传递到钻杆,然后传递到钻头与岩石接触界面。当这种冲击积聚到超过岩石的疲劳强度时,与钻头接触部位的岩石就粉碎了[4,11]。1.2超声波/声波钻探器的结构优化设计超声波/声波钻探系统主要依靠工作在超声波/声波频率的压电换能器来实现电能到高频振动能量的转换[12],其动力学特性和较大的振幅输出直接影响着整个钻探器的能量传递特性。图2为超声波/声波钻探器中压电换能器部分的参数化模型,选取了7个设计参数(后端盖直径与变幅杆后端的直径相同,参数同为R1)。预紧螺栓和尾部材料均为钢,其单元类型为solid45;压电材料为PZT8的纵振片,其单元类型为solid5;前端变幅杆的材料为铝,单元类型为solid45。图2钻探器选取的有限元优化参数对换能器有限元模型进行模态分析可得到结构的各阶固有振动参数,结果中除包含需要的工作模态外(本研究需要纵振模态),还有许多其他模态存在。需要的工作模态随钻探器的结构参数的改变而改变,阶次和顺序在整个模态中是未知的;因此,在优化设计过程中必须把它们识别出来,通过采用计算振型的相关系数指标法,利用ANSYS参数化设计语言APDL编程来实现[13-15]。振型相关系数的大小反映了两个振型的相似程度[13],值越大则相似程度越高。根据这点,可以达到在优化过程中对所需振型的识别。振型相关系数的大小定义为M=[?ts?o]2(?ts?s)(?ts?s)=∑nk=1?sk?ok2∑nk=1?sk?sk∑nk=1?ok?ok(0≤M≤1)其中:φs和φo分别为初始计算振型和优化中所计算的振型。变幅杆顶端大的振幅有利于将能量通过动能传
稣裥偷南嗨瞥?度[13],值越大则相似程度越高。根据这点,可以达到在优化过程中对所需振型的识别。振型相关系数的大小定义为M=[?ts?o]2(?ts?s)(?ts?s)=∑nk=1?sk?ok2∑nk=1?sk?sk∑nk=1?ok?ok(0≤M≤1)其中:φs和φo分别为初始计算振型和优化中所计算的振型。变幅杆顶端大的振幅有利于将能量通过动能传递给自由质量[4],故目标函数定义为Fobj=1/Amax其中:Amax为变幅杆顶端截面的振幅。编写优化程序的文件,赋予各个参数初值,在ANSYS中单步运行,观察各个参数对目标函数的灵敏度(见图3)。灵敏度分析目的在于获取结构特征量对于设计参数的偏导数,即分析结构参数改变对结构动态特性的敏感程度,为在换能器的结构动力学特性优化设计中获取合适的设计变量提供依据,避免结构设计中的盲目性,达到提高设计效率的目的。对目标函数影响最大的参数是变幅杆的长度L4,其他参数影响较校将参数L4定义为优化变量,采用零阶方法进行优化计算并得到最优解。当L4=71.3mm时,振幅最大。为了便于机械加工,在最优解附近取几组数据,分别采用并施加300V的工作电压做谐响应分析,当L4=70mm时得到了一组具有较大振幅的数据(见表1),同时得到了变幅杆顶端从前到后的位移分布(见图4)。可以看出顶端的位移最大,并且从顶端开始递减(以70mm做为加工的参数)。图3结构参数对目标函数影响253第2期陈超,等:超声波/声波钻探器的设计与试验
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于近场声悬浮的非接触式直线型压电作动器[J]. 孙运涛,陈超. 中国机械工程. 2010(24)
[2]基于ANSYS/LS-DYNA矿用圆环链超声波探伤的仿真研究[J]. 苗培实,李文斌,梁义维. 煤矿机械. 2009(01)
[3]高速大推力直线型超声电机的设计与实验研究[J]. 李玉宝,时运来,赵淳生,黄卫清. 中国电机工程学报. 2008(33)
[4]面内模态直线型超声电机的优化设计[J]. 时运来,李玉宝,赵淳生. 中国电机工程学报. 2008(30)
[5]一种新型的超声波/声波钻探器[J]. 郭俊杰,黄卫清,李志荣. 压电与声光. 2008(05)
[6]我国月球探测的总体科学目标与发展战略[J]. 欧阳自远. 地球科学进展. 2004(03)
[7]预压力对压电叠层作动器性能的影响[J]. 郑凯,阎绍泽,温诗铸,叶青. 压电与声光. 2003(05)
本文编号：2922311
【文章来源】：振动.测试与诊断. 2013年02期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
超声波/声波钻探器示意图
(主要为纵振),并通过其变幅杆将振幅放大。通过变幅杆顶端的纵振以冲击的方式将能量传递到自由质量,自由质量开始在头部和钻杆之间做声波频率的往复碰撞,能量通过自由质量的碰撞与冲击传递到钻杆,然后传递到钻头与岩石接触界面。当这种冲击积聚到超过岩石的疲劳强度时,与钻头接触部位的岩石就粉碎了[4,11]。1.2超声波/声波钻探器的结构优化设计超声波/声波钻探系统主要依靠工作在超声波/声波频率的压电换能器来实现电能到高频振动能量的转换[12],其动力学特性和较大的振幅输出直接影响着整个钻探器的能量传递特性。图2为超声波/声波钻探器中压电换能器部分的参数化模型,选取了7个设计参数(后端盖直径与变幅杆后端的直径相同,参数同为R1)。预紧螺栓和尾部材料均为钢,其单元类型为solid45;压电材料为PZT8的纵振片,其单元类型为solid5;前端变幅杆的材料为铝,单元类型为solid45。图2钻探器选取的有限元优化参数对换能器有限元模型进行模态分析可得到结构的各阶固有振动参数,结果中除包含需要的工作模态外(本研究需要纵振模态),还有许多其他模态存在。需要的工作模态随钻探器的结构参数的改变而改变,阶次和顺序在整个模态中是未知的;因此,在优化设计过程中必须把它们识别出来,通过采用计算振型的相关系数指标法,利用ANSYS参数化设计语言APDL编程来实现[13-15]。振型相关系数的大小反映了两个振型的相似程度[13],值越大则相似程度越高。根据这点,可以达到在优化过程中对所需振型的识别。振型相关系数的大小定义为M=[?ts?o]2(?ts?s)(?ts?s)=∑nk=1?sk?ok2∑nk=1?sk?sk∑nk=1?ok?ok(0≤M≤1)其中:φs和φo分别为初始计算振型和优化中所计算的振型。变幅杆顶端大的振幅有利于将能量通过动能传
稣裥偷南嗨瞥?度[13],值越大则相似程度越高。根据这点,可以达到在优化过程中对所需振型的识别。振型相关系数的大小定义为M=[?ts?o]2(?ts?s)(?ts?s)=∑nk=1?sk?ok2∑nk=1?sk?sk∑nk=1?ok?ok(0≤M≤1)其中:φs和φo分别为初始计算振型和优化中所计算的振型。变幅杆顶端大的振幅有利于将能量通过动能传递给自由质量[4],故目标函数定义为Fobj=1/Amax其中:Amax为变幅杆顶端截面的振幅。编写优化程序的文件,赋予各个参数初值,在ANSYS中单步运行,观察各个参数对目标函数的灵敏度(见图3)。灵敏度分析目的在于获取结构特征量对于设计参数的偏导数,即分析结构参数改变对结构动态特性的敏感程度,为在换能器的结构动力学特性优化设计中获取合适的设计变量提供依据,避免结构设计中的盲目性,达到提高设计效率的目的。对目标函数影响最大的参数是变幅杆的长度L4,其他参数影响较校将参数L4定义为优化变量,采用零阶方法进行优化计算并得到最优解。当L4=71.3mm时,振幅最大。为了便于机械加工,在最优解附近取几组数据,分别采用并施加300V的工作电压做谐响应分析,当L4=70mm时得到了一组具有较大振幅的数据(见表1),同时得到了变幅杆顶端从前到后的位移分布(见图4)。可以看出顶端的位移最大,并且从顶端开始递减(以70mm做为加工的参数)。图3结构参数对目标函数影响253第2期陈超,等:超声波/声波钻探器的设计与试验
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于近场声悬浮的非接触式直线型压电作动器[J]. 孙运涛,陈超. 中国机械工程. 2010(24)
[2]基于ANSYS/LS-DYNA矿用圆环链超声波探伤的仿真研究[J]. 苗培实,李文斌,梁义维. 煤矿机械. 2009(01)
[3]高速大推力直线型超声电机的设计与实验研究[J]. 李玉宝,时运来,赵淳生,黄卫清. 中国电机工程学报. 2008(33)
[4]面内模态直线型超声电机的优化设计[J]. 时运来,李玉宝,赵淳生. 中国电机工程学报. 2008(30)
[5]一种新型的超声波/声波钻探器[J]. 郭俊杰,黄卫清,李志荣. 压电与声光. 2008(05)
[6]我国月球探测的总体科学目标与发展战略[J]. 欧阳自远. 地球科学进展. 2004(03)
[7]预压力对压电叠层作动器性能的影响[J]. 郑凯,阎绍泽,温诗铸,叶青. 压电与声光. 2003(05)
本文编号：2922311
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