径向复合压电陶瓷超声换能器动态仿真及结构优化
发布时间：2021-07-02 23:11
超声换能器是超声技术中最重要的部分之一。压电换能器因其机电转换效率高、成本低、容易成型等优势,已成为应用最为广泛的一种换能器。压电陶瓷复合超声换能器是近几年国内外专家学者的研究热点,其振动模式为径向振动模式。压电陶瓷换能器的工作频率为其固有频率,因此对其径向振动特性的研究极为重要。本文对换能器径向振动特性及优化设计做了研究。本文所做工作及所得成果如下:（1）建立了由压电陶瓷圆管与金属预应力管组成的过盈配合组合厚壁筒力学模型,推导了由压电陶瓷圆管与金属预应力管径向耦合振动波动方程、组合厚壁筒径向振动连续性条件与边界条件组成的换能器径向振动的数学模型,推导了换能器径向振动的特征方程及振型函数。分别基于解析法与差分法建立了换能器径向振动的数值仿真模型。通过MATLAB编程计算得:特征方程所得固有频率值与已有实验值符合很好;解析法与差分法的共振频率、位移响应相同。（2）建立了过盈量影响换能器径向振动的力学与数学模型。建立了压电陶瓷圆管与金属预应力管之间动态过盈力的计算模型。基于差分法建立了过盈量影响换能器径向振动的数值仿真模型。通过MATLAB编程计算得:过盈量对换能器径向振动特性有着显著影响...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
换能器示意图
第2章换能器的径向振动特性-7-图2-1所示为压电陶瓷复合超声换能器示意图，该换能器是由经过径向极化处理后的压电陶瓷圆管与金属预应力管组成。褐色部分为压电陶瓷圆管，空白部分为金属预应力管。ar、br分别为换能器中压电陶瓷圆管内、外径，br、cr分别为金属预应力管内、外径，h为换能器的高度。2.1.1力学模型换能器受外部激励电压与载荷的作用。基于此，建立换能器径向振动的整体力学模型。图2-2所示为压电陶瓷复合超声换能器力学模型。eP为换能器所受环境载荷。由换能器的结构及工作原理，将其简化为由压电陶瓷圆管与金属预应力管组成的过盈配合组合厚壁筒力学模型，因此，分别建立压电陶瓷圆管与金属预应力管的力学模型。并基于三维压电弹性力学、厚壁筒理论分别推导压电陶瓷圆管与金属预应力管的波动方程，综合连续性条件、边界条件建立换能器径向振动的数学模型。图2-2换能器力学模型2.1.1.1压电陶瓷圆管力学模型基于三维压电弹性力学[29]、厚壁筒理论建立压电陶瓷圆管径向振动的力学模型。图2-3为压电陶瓷圆管径向振动的力学模型。首先分析压电陶瓷圆管的整体受力，压电陶瓷圆管受到金属预应力管所施加的径向压力，如图2-3a）所示。取压电陶瓷圆管的微元段，对微元段进行受力分析，以期根据牛顿第二定律得出压电陶瓷圆管径向振动的波动方程。图2-3b）、c）、d）为压电陶瓷圆管微元段力学模型。其中，ar、br、1l为压电陶瓷圆管的内径、外径、高度，2brF为金属预应力管所施加给压电陶瓷圆管的径向力。在圆管内取以dr为径长、以d为转角、以dz
燕山大学工程硕士学位论文-18-图2-5换能器离散模型根据牛顿前差分公式可得tuuturuurujijijijijijiΔΔ,1,,,,1,（2-36）根据牛顿中心差分公式可得21,,1,2221122Δ2Δ2ruuuturuuurujijiji,jii,j,ji（2-37）将式（2-36）、式（2-37）代入式（2-17）可得换能器径向振动的差分数值仿真模型如下。波动方程的差分形式为1,,1a1123132,a1122,,1a2,1,,122211,2)()Δ(1)Δ(1)(Δ)Δ(1)2(Δ1ΔjijijrjijijijijijijiuuErireeeurireeuurriruuurtvu（2-38）1,,2,a,,1a2,1,,122221,2)Δ(1)(Δ)Δ(1)2(Δ1ΔjijijijijijijijijiuuuriruurriruuurutV（2-39）边界条件的差分形式为e1,111c12111,1131,111a12111,0ΔΔ/1)(ΔΔ/1PurcrcrcuEeurerereujjIIjrjj（2-40）
【参考文献】：
期刊论文
[1]夹心式压电换能器压电片端面应力分析与结构优化[J]. 刘宇,傅波,林波,吴思楠. 西安交通大学学报. 2019(02)
[2]基于真实路谱再现的商用车驾驶室疲劳破坏[J]. 王陶,王良模,Li Tan,邹小俊. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(05)
[3]K0.5Bi0.5TiO3:ZnO无铅铁电复合陶瓷的退极化行为[J]. 朱满康,李玲,郭金健,郑木鹏,侯育冬,严辉. 北京工业大学学报. 2017(06)
[4]镶拼式复合压电超声换能器的径向振动特性[J]. 李陆化,刘世清,李丹. 机械工程学报. 2016(16)
[5]高次谐波体声波谐振器的有效机电耦合系数[J]. 李鉴,汪承灏,刘梦伟. 声学学报. 2016(01)
[6]径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动[J]. 林书玉,王帅军,付志强,胡静,王成会,莫润阳. 声学学报. 2013(03)
[7]径向复合圆柱压电超声换能器[J]. 刘世清,杨先莉,张志良,陈赵江. 声学学报. 2013(02)
[8]水声换能器研究新进展[J]. 莫喜平. 应用声学. 2012(03)
[9]工程结构优化设计研究进展[J]. 蔡新,李洪煊,武颖利,朱杰. 河海大学学报(自然科学版). 2011(03)
[10]复合管功率超声压电换能器的径向振动特性[J]. 刘世清,姚晔. 机械工程学报. 2008(10)
博士论文
[1]径向夹心式压电超声换能器的研究[D]. 胡静.陕西师范大学 2015
[2]纵弯及纵径振动模式转换功率超声换能器的研究[D]. 张小丽.陕西师范大学 2014
[3]球冠钹型换能器建模、仿真及优化设计研究[D]. 吴石林.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]基于机电耦合法油井增产超声波换能器结构参数优化设计[D]. 张翊东.哈尔滨工业大学 2014
[2]功率超声换能器压电振子的径向谐振频率及声学特性分析[D]. 王强.哈尔滨工业大学 2013
[3]超声换能器的设计理论研究[D]. 曾凡冲.北方工业大学 2013
[4]径向复合型压电超声换能器研究[D]. 苏超.浙江师范大学 2012
[5]三元复合驱油井管道超声波除垢技术研究[D]. 师柱.哈尔滨工程大学 2011
[6]大功率管状超声换能器的设计与研究[D]. 高炳山.陕西师范大学 2010
本文编号：3261359
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
换能器示意图
第2章换能器的径向振动特性-7-图2-1所示为压电陶瓷复合超声换能器示意图，该换能器是由经过径向极化处理后的压电陶瓷圆管与金属预应力管组成。褐色部分为压电陶瓷圆管，空白部分为金属预应力管。ar、br分别为换能器中压电陶瓷圆管内、外径，br、cr分别为金属预应力管内、外径，h为换能器的高度。2.1.1力学模型换能器受外部激励电压与载荷的作用。基于此，建立换能器径向振动的整体力学模型。图2-2所示为压电陶瓷复合超声换能器力学模型。eP为换能器所受环境载荷。由换能器的结构及工作原理，将其简化为由压电陶瓷圆管与金属预应力管组成的过盈配合组合厚壁筒力学模型，因此，分别建立压电陶瓷圆管与金属预应力管的力学模型。并基于三维压电弹性力学、厚壁筒理论分别推导压电陶瓷圆管与金属预应力管的波动方程，综合连续性条件、边界条件建立换能器径向振动的数学模型。图2-2换能器力学模型2.1.1.1压电陶瓷圆管力学模型基于三维压电弹性力学[29]、厚壁筒理论建立压电陶瓷圆管径向振动的力学模型。图2-3为压电陶瓷圆管径向振动的力学模型。首先分析压电陶瓷圆管的整体受力，压电陶瓷圆管受到金属预应力管所施加的径向压力，如图2-3a）所示。取压电陶瓷圆管的微元段，对微元段进行受力分析，以期根据牛顿第二定律得出压电陶瓷圆管径向振动的波动方程。图2-3b）、c）、d）为压电陶瓷圆管微元段力学模型。其中，ar、br、1l为压电陶瓷圆管的内径、外径、高度，2brF为金属预应力管所施加给压电陶瓷圆管的径向力。在圆管内取以dr为径长、以d为转角、以dz
燕山大学工程硕士学位论文-18-图2-5换能器离散模型根据牛顿前差分公式可得tuuturuurujijijijijijiΔΔ,1,,,,1,（2-36）根据牛顿中心差分公式可得21,,1,2221122Δ2Δ2ruuuturuuurujijiji,jii,j,ji（2-37）将式（2-36）、式（2-37）代入式（2-17）可得换能器径向振动的差分数值仿真模型如下。波动方程的差分形式为1,,1a1123132,a1122,,1a2,1,,122211,2)()Δ(1)Δ(1)(Δ)Δ(1)2(Δ1ΔjijijrjijijijijijijiuuErireeeurireeuurriruuurtvu（2-38）1,,2,a,,1a2,1,,122221,2)Δ(1)(Δ)Δ(1)2(Δ1ΔjijijijijijijijijiuuuriruurriruuurutV（2-39）边界条件的差分形式为e1,111c12111,1131,111a12111,0ΔΔ/1)(ΔΔ/1PurcrcrcuEeurerereujjIIjrjj（2-40）
【参考文献】：
期刊论文
[1]夹心式压电换能器压电片端面应力分析与结构优化[J]. 刘宇,傅波,林波,吴思楠. 西安交通大学学报. 2019(02)
[2]基于真实路谱再现的商用车驾驶室疲劳破坏[J]. 王陶,王良模,Li Tan,邹小俊. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(05)
[3]K0.5Bi0.5TiO3:ZnO无铅铁电复合陶瓷的退极化行为[J]. 朱满康,李玲,郭金健,郑木鹏,侯育冬,严辉. 北京工业大学学报. 2017(06)
[4]镶拼式复合压电超声换能器的径向振动特性[J]. 李陆化,刘世清,李丹. 机械工程学报. 2016(16)
[5]高次谐波体声波谐振器的有效机电耦合系数[J]. 李鉴,汪承灏,刘梦伟. 声学学报. 2016(01)
[6]径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动[J]. 林书玉,王帅军,付志强,胡静,王成会,莫润阳. 声学学报. 2013(03)
[7]径向复合圆柱压电超声换能器[J]. 刘世清,杨先莉,张志良,陈赵江. 声学学报. 2013(02)
[8]水声换能器研究新进展[J]. 莫喜平. 应用声学. 2012(03)
[9]工程结构优化设计研究进展[J]. 蔡新,李洪煊,武颖利,朱杰. 河海大学学报(自然科学版). 2011(03)
[10]复合管功率超声压电换能器的径向振动特性[J]. 刘世清,姚晔. 机械工程学报. 2008(10)
博士论文
[1]径向夹心式压电超声换能器的研究[D]. 胡静.陕西师范大学 2015
[2]纵弯及纵径振动模式转换功率超声换能器的研究[D]. 张小丽.陕西师范大学 2014
[3]球冠钹型换能器建模、仿真及优化设计研究[D]. 吴石林.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]基于机电耦合法油井增产超声波换能器结构参数优化设计[D]. 张翊东.哈尔滨工业大学 2014
[2]功率超声换能器压电振子的径向谐振频率及声学特性分析[D]. 王强.哈尔滨工业大学 2013
[3]超声换能器的设计理论研究[D]. 曾凡冲.北方工业大学 2013
[4]径向复合型压电超声换能器研究[D]. 苏超.浙江师范大学 2012
[5]三元复合驱油井管道超声波除垢技术研究[D]. 师柱.哈尔滨工程大学 2011
[6]大功率管状超声换能器的设计与研究[D]. 高炳山.陕西师范大学 2010
本文编号：3261359
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