在化工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域,為提高生產(chǎn)效率,常結(jié)合超聲波的空化效應(yīng)來(lái)輔助水環(huán)境下物質(zhì)的提取、分離、破碎、乳化等。超聲工具頭長(zhǎng)時(shí)間作用在水環(huán)境中,會(huì)發(fā)生空化腐蝕并伴有失重現(xiàn)象,這嚴(yán)重制約了其使用壽命,增加成本。本文設(shè)計(jì)了工作端部可拆卸的分離式超聲工具頭結(jié)構(gòu),首先對(duì)無(wú)裝配凹槽和兩種不同位置加工有裝配凹槽的工作端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲固耦合有限元分析,量化工具頭工作端面聲能量衰減的情況;其次利用分離式工具頭進(jìn)行空蝕實(shí)驗(yàn),研究了分離式工具頭的空蝕效果。結(jié)果表明,中間凹槽工具頭工作端部結(jié)構(gòu)的聲能量衰減較小、空蝕效果較好且便于裝配,可作為分離式工具頭的最終結(jié)構(gòu)。 

【文章來(lái)源】：計(jì)量與測(cè)試技術(shù). 2020,47(11)

【文章頁(yè)數(shù)】：5 頁(yè)

【部分圖文】：

圖1 分離式工具頭結(jié)構(gòu)

本文考慮到便于裝配在端部盤上進(jìn)行了凹槽設(shè)置，設(shè)計(jì)了三種端部盤結(jié)構(gòu)，如圖2所示。結(jié)合聲結(jié)構(gòu)耦合的仿真分析和空蝕實(shí)驗(yàn)，分別研究了這三種端部盤結(jié)構(gòu)的聲能量傳輸情況。帶有變幅結(jié)構(gòu)的工具頭具有放大系數(shù)大、工作端振幅大和制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于功率超聲領(lǐng)域。[19]多采用強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐熱性好、阻抗性好的鈦合金材料。本文選用工具頭中常用的TC4(Ti-6Al-4V)[20-21]合金為材料，基于常見(jiàn)超聲發(fā)生器和換能器的工作頻率28k Hz，根據(jù)工作頻率和材料參數(shù)，[22]計(jì)算了縱波聲速及波長(zhǎng)，如表1所示。

為研究分離式工具頭的功率傳輸性能，本文首先利用有限元軟件COMSOL Multiphysics對(duì)工具頭輻射端面附近的聲場(chǎng)分布以及工具頭端面位移進(jìn)行了量化分析�？紤]到工具頭裝配凹槽的設(shè)置，中間凹槽和前端凹槽兩種結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)模型為非中心對(duì)稱模型，無(wú)法用二維模型描述，因此在模型向?qū)Ю镞x擇三維模型。分析模塊選擇聲-結(jié)構(gòu)相互作用模塊，研究選擇頻域分析。聲場(chǎng)、位移計(jì)算模型如圖3所示，包括工具頭、空氣域、水域和完美匹配層(PML層)。PML層模擬無(wú)窮遠(yuǎn)處水域空間的聲場(chǎng)分布，無(wú)反射地吸收所有入射波。指定仿真模型里的域和邊界，并從內(nèi)置材料庫(kù)里選取相應(yīng)的材料。對(duì)變幅桿法蘭盤的圓周面施加固定約束，對(duì)工具頭大端面施加指定位移，方向?yàn)閄正方向，位移值設(shè)置為10μm,Y、Z方向位移為零。聲場(chǎng)模型的網(wǎng)格尺寸要求最大單元尺寸為聲波在介質(zhì)中傳播波長(zhǎng)的1/6，其中，PML層的網(wǎng)格劃分沿厚度方向不低于8層。

【參考文獻(xiàn)】：
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