近十幾年來,功率超聲技術(shù)在疲勞試驗領(lǐng)域中開始見諸應用。相較于以電液伺服或電磁激振為激振方式的傳統(tǒng)疲勞試驗方法,超聲疲勞試驗技術(shù)具有頻率高、時間短、能耗低、效率高等優(yōu)點。作為功率超聲技術(shù)的核心,以壓電換能器為激勵源的超聲疲勞振動系統(tǒng)成為疲勞試驗裝備研究的熱門話題,正逐步應用于工業(yè)領(lǐng)域中某些高強度或高壽命疲勞零部件的檢測中。鑒于上述背景,本文以功率超聲技術(shù)原理為切入點,對基于縱向復合式壓電換能器的超聲疲勞振動系統(tǒng)理論與設計相關(guān)問題進行分析與研究。本文主要內(nèi)容如下:（1）對超聲疲勞振動系統(tǒng)的構(gòu)成和實現(xiàn)原理進行闡述,建立連續(xù)振動體的縱向和橫向振動模型并求解動力學方程。在此基礎上,本文分析了喇叭形縱向振動試件、對稱懸臂形彎曲振動試件以及鑲嵌形試件的振動原理,給出相應的振型函數(shù)、頻率方程及放大系數(shù),對三種試件的尺寸進行理論設計和有限元優(yōu)化。（2）比較超聲領(lǐng)域中常用的三種壓電換能器特點,最終選用復合式壓電換能器作為激振源;建立復合式換能器動力學模型及等效電路模型,分析換能器相關(guān)參數(shù)及其與換能器尺寸和材料之間的關(guān)系;從滯后阻尼的角度出發(fā)分析換能器的損耗特性。（3）設計一種可實現(xiàn)共振頻率有級調(diào)節(jié)的新型換... 

【文章來源】：吉林大學吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：106 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

齒輪的疲勞破壞

第1章緒論1第1章緒論1.1課題研究背景及意義1.1.1超聲疲勞振動技術(shù)的提出水陸交通、橋梁建筑、航空航天等現(xiàn)代工程領(lǐng)域中存在大量處于交變工作環(huán)境的工程零部件，其主要失效形式為由交變載荷引起的疲勞磨損和疲勞破壞，比如汽車變速器齒輪（圖1.1）或發(fā)動機曲軸（圖1.2）在運行的某一時刻下突然斷裂，造成嚴重的交通事故。據(jù)統(tǒng)計，工程事故案例中，因零部件疲勞產(chǎn)生的失效占所有失效形式的八成左右。由此看來，對工作于交變載荷環(huán)境的工程零部件做疲勞試驗以檢測零部件疲勞強度和疲勞性能成為力學試驗中一個重要環(huán)節(jié)。圖1.1齒輪的疲勞破壞圖1.2汽車曲軸斷裂疲勞實驗有多種類型，其中試件在受到超過107次交變載荷后斷裂的疲勞為超高周疲勞[1]。在傳統(tǒng)有關(guān)材料疲勞的研究中，由于試驗裝備和試驗條件的限制，循環(huán)次數(shù)范圍常限于107以內(nèi)，屬于低周或中周疲勞[2]。傳統(tǒng)研究認為材料或零件在107周次循環(huán)處存在載荷極限值[3]。如果試件所受的交變載荷低于零件的持久極限值，則認為此零件能承受無限次的交變載荷而永不失效。然而在現(xiàn)代工程領(lǐng)域，尤其高新領(lǐng)域中，相當一部分工程零部件工作于載荷小，頻率及循環(huán)周次高的交變環(huán)境下。這些零部件受力循環(huán)次數(shù)遠遠高于107次，有時甚至可達到109~1012次[4,5,6]。例如在一次飛行作業(yè)過程中，民航飛機發(fā)動機的渦輪葉片會承受高頻振動載荷的作用，其載荷應力幅值小，但所受的循環(huán)負載次數(shù)很高，達到109次[7]。又如一臺以300r/min運行的發(fā)電機在20年服役期內(nèi)要經(jīng)歷1010次應力循環(huán)。大量試驗表明，試件在承受大于107次的載荷，有時甚至在109次應力循環(huán)后仍能發(fā)生疲勞破壞現(xiàn)象[8]。在我國，與工程領(lǐng)域相關(guān)的企

吉林大學碩士學位論文4結(jié)構(gòu)簡單，不需要很復雜的制作工藝，材料來源廣泛。夾心式壓電換能器工作頻率在雖然不及石英壓電換能器和片狀壓電陶瓷換能器，但已經(jīng)滿足超聲疲勞振動的需要。根據(jù)以上討論，選用夾心式壓電換能器作為超聲疲勞振動的實現(xiàn)方式。1.2壓電式超聲疲勞振動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展趨勢與研究現(xiàn)狀在19世紀八十年代，F(xiàn).Galton就已經(jīng)開始從事超聲波相關(guān)研究并發(fā)明了氣哨，這是最知名的流體動力型超聲波發(fā)生器。1894年O.Reyrolds觀察到超聲波在液體中會產(chǎn)生液體空化現(xiàn)象。這個現(xiàn)象在后來水處理、化工、醫(yī)療等多個領(lǐng)域具有廣泛的應用。一戰(zhàn)期間，朗之萬(Langevin)發(fā)明了夾心復合式壓電換能器（圖1.3），發(fā)展了國內(nèi)外學者對低頻大功率超聲領(lǐng)域的研究[14]。20世紀40年代，W.P.Mason發(fā)明了指數(shù)型變幅桿，開創(chuàng)了超聲技術(shù)在固體中的應用；同時他提出了等效網(wǎng)絡分析方法，將超聲波傳播的動力學特性與電學特性等效，為后來發(fā)展的用于分析復雜結(jié)構(gòu)縱向振動的傳輸矩陣法提供了理論基矗20世紀50年代，H.B.Miller改進了朗之萬夾心復合式換能器的結(jié)構(gòu)，發(fā)明了可加載預應力的復合式換能器。同時，Л.Г.Меркуо提出了懸鏈線型與多級組合型變幅桿，對變幅桿種類進行了擴充。20世紀60年代，E.Eisner提出了一種應力沿桿件均勻分布的高斯型變幅桿，這種變幅桿可以輸出很高的位移振幅，發(fā)展了超聲變幅桿的研究。日本學者森榮司在20世紀70年代提出了表觀彈性法，為分析二維振動問題打下了基矗20世紀80年代森榮司提出了夾心式彎曲換能器結(jié)構(gòu)[15,16]，拓寬了換能器在工業(yè)方面的應用范圍。圖1.3Langevin換能器結(jié)構(gòu)圖圖1.4Bathias超聲疲勞試驗系統(tǒng)將超聲振動技術(shù)用于疲勞試驗的里程碑是1950年Manson發(fā)明的試驗機[17]。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]橡膠Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型的參數(shù)特性研究[J]. 張良,李忠華,馬新強.  噪聲與振動控制. 2018(S2)
[2]MB8變形鎂合金超聲疲勞試樣解析設計[J]. 鄧海鵬,何柏林.  航空材料學報. 2016(04)
[3]超聲變幅桿的理論設計與ANSYS仿真分析[J]. 常小龍.  河北農(nóng)機. 2016(03)
[4]功率超聲壓電換能器阻抗匹配電路參數(shù)化設計[J]. 韓麗軒,于保華,胡小平.  壓電與聲光. 2015(04)
[5]圓盤式壓電雙晶片發(fā)電性能和耦合電路的仿真分析與研究[J]. 李攀峰,董林璽.  壓電與聲光. 2014(03)
[6]基于夾心式壓電超聲換能器設計的數(shù)值解法[J]. 王天哲,梁松,張義民.  振動.測試與診斷. 2013(S1)
[7]夾心式功率超聲壓電陶瓷換能器的工程設計[J]. 林書玉.  聲學技術(shù). 2006(02)
[8]超聲加工中變幅桿的動力學分析[J]. 趙莉,王時英,軋剛.  電加工與模具. 2005(02)
[9]超聲波發(fā)生器的頻率跟蹤電路[J]. 鮑善惠,王敏慧.  洗凈技術(shù). 2003(10)
[10]超聲技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應用[J]. 王君,韓建濤,張揚.  當代化工. 2002(04)



本文編號：3493300