超聲固接金屬增材制造壓電振子的動(dòng)力學(xué)建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2020-08-08 17:34

【摘要】：超聲固接是基于片層壓原理的金屬增材制造技術(shù),通過(guò)高頻振動(dòng)與靜壓力作用,實(shí)現(xiàn)金屬箔材間的固態(tài)冶金結(jié)合,并通過(guò)逐層固接的方法實(shí)現(xiàn)高性能結(jié)構(gòu)的制造,是一種實(shí)現(xiàn)先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)低成本、綠色制造的新方法。壓電振子是超聲固接設(shè)備中產(chǎn)生振動(dòng)并實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件,也是本文的主要研究對(duì)象。在固接過(guò)程中,壓電振子處于復(fù)雜的邊界條件下,同時(shí)涉及機(jī)械夾持和摩擦,這對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性的影響顯著,從而對(duì)材料固接后的性能產(chǎn)生直接影響。高效準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)分析方法是實(shí)現(xiàn)壓電振子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文聚焦超聲固接設(shè)備中的壓電振子,具體研究?jī)?nèi)容如下:1、概述了金屬增材制造技術(shù)及其原理分類,論述了超聲金屬增材制造的優(yōu)越性及發(fā)展趨勢(shì),詳述了超聲固接技術(shù)的原理。然后聚焦超聲固接設(shè)備的核心部件——壓電振子,提出了本文的主要研究問(wèn)題。2、對(duì)壓電振子建模方法進(jìn)行介紹,通過(guò)對(duì)比幾種常用動(dòng)力學(xué)建模方法的特點(diǎn)表述了傳遞矩陣法建立壓電振子動(dòng)力學(xué)耦合模型的優(yōu)勢(shì)。詳細(xì)推導(dǎo)了傳遞矩陣法建立動(dòng)力學(xué)耦合模型的具體方法和步驟。3、基于傳遞矩陣法建立了壓電振子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)耦合模型,利用Matlab對(duì)傳遞矩陣動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行求解,獲得諧振頻率、振速比、振型、最大輸出振幅等動(dòng)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果。4、利用有限元分析軟件Ansys建立了同一壓電振子的有限元模型。利用兩種方法建立的動(dòng)力學(xué)模型分別進(jìn)行仿真計(jì)算,通過(guò)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析驗(yàn)證模型。兩個(gè)模型計(jì)算得到的諧振頻率、振速比、焊頭最大振幅的相對(duì)誤差分別為2.8%、3.9%、6.7%,驗(yàn)證了傳遞矩陣法建立的動(dòng)力學(xué)耦合模型的有效性。5、利用所建立的傳遞矩陣模型對(duì)壓電振子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。首先介紹了利用傳遞矩陣模型對(duì)壓電振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的具體思路,然后通過(guò)該優(yōu)化思路以壓電振子結(jié)構(gòu)的諧振頻率(20kHz)為設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析,通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸,壓電振子的諧振頻率從20.9kHz降為為20.04kHz。此外,利用傳遞矩陣法建立的半波換能器動(dòng)力學(xué)模型,探討了推完式壓電振子系統(tǒng)中兩個(gè)對(duì)稱分布半波換能器的電激勵(lì)匹配方式。通過(guò)上述工作,本文建立了針對(duì)超聲固接設(shè)備壓電振子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)耦合模型,并提出了利用該模型對(duì)壓電振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法與步驟,為下一步針對(duì)已設(shè)計(jì)新型壓電振子結(jié)構(gòu)研究奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB559;TP391.7
【圖文】：