本文關鍵詞：微型壓電超聲換能器的研究與設計

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【摘要】：超聲波在國防工業(yè)、機械電子、材料制造以及醫(yī)療等領域都有著重要的應用，隨著其應用領域地不斷擴展，超聲技術在經(jīng)濟體中的地位也愈加重要。相較于傳統(tǒng)的方式，醫(yī)療超聲在診斷和治療中有著極大的優(yōu)勢。如今，醫(yī)學中的很多研究已處于細胞和分子領域，研究對象尺度非常小。因此，為了減少目標損傷和提高純凈度，超聲振動系統(tǒng)小型化的需求成為必然，而這其中的重點便是超聲換能器和刀具的小型化。本文主要研究了壓電超聲換能器的微型化設計、加工及優(yōu)化，缺陷和負載對換能器工作的影響以及微型壓電超聲換能器在顯微切割中的應用等幾個方面，全文的主要研究成果如下： （1）選取微型壓電超聲換能器零件材料，依據(jù)四端網(wǎng)絡法計算了微型超聲換能器的機械結構，建立了兩端自由的超聲換能器有限元模型，通過模態(tài)和諧響應分析，得到了換能器諧振頻率，結點位移等參數(shù)以及在各個模態(tài)下的振型圖。 （2）分別繪制了超聲換能器壓緊螺母、前后蓋板、預應力螺栓、變幅桿和刀具的零件圖以及總體裝配圖，并依此加工了換能器的各零件，用電化學腐蝕法加工了符合尺度的刀具，加工了最大直徑僅6mm、長64mm的微型壓電超聲換能器。 （3）針對換能器工作中可能出現(xiàn)的異常發(fā)熱現(xiàn)象，建立了服役中超聲刀具微裂紋相對運動的有限元模型，，對工作狀態(tài)下微裂紋表面的動接觸行為和發(fā)熱現(xiàn)象分別進行了實驗及仿真分析，結果表明：裂紋兩表面的振動是不一致的，裂紋中部溫度明顯高于其它部位，而且溫度趨勢是先快速升高后下降至平穩(wěn)。 （4）對微型壓電超聲換能器的各項關鍵參數(shù)進行測量，分別搭建了系統(tǒng)導納測量平臺和振幅測量平臺，通過數(shù)據(jù)測量建立了超聲換能器的導納—頻率關系和振幅—電壓關系，并推斷出了其振型和諧振頻率。然后與仿真及理論設計的計算結果進行了對比，分析了造成差異的原因，并優(yōu)化了換能器的結構。 （5）比較了不同負載條件下超聲換能器導納和頻率的變化，并據(jù)此計算了針對實驗負載的匹配電感，為提高超聲換能器的工作效率提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。搭建了微型壓電超聲換能器切割實驗系統(tǒng)，通過對比是否施加超聲振動切割動物微組織的實驗，展示了將超聲技術引入顯微切割領域的損傷小、切口清晰和易操作的優(yōu)勢。
【關鍵詞】：超聲換能器 顯微切割 微裂紋 有限元
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB552
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1.緒論11-19
• 1.1 本課題的研究背景、目的及意義11
• 1.2 超聲換能器概述11-13
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.4 本文研究內(nèi)容及組織結構16-19
• 2.換能器的設計理論及顯微切割機理19-27
• 2.1 引言19
• 2.2 超聲換能器的基本結構及工作原理19-21
• 2.2.1 基本結構19
• 2.2.2 工作原理19-21
• 2.3 超聲變幅桿的設計方法及影響因素21-25
• 2.3.1 設計方法21-24
• 2.3.2 影響因素24-25
• 2.4 超聲顯微切割機理25
• 2.5 本章小結25-27
• 3.換能器的設計及有限元分析27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 微型超聲換能器設計27-32
• 3.2.1 設計準則及目標27
• 3.2.2 材料選擇27-29
• 3.2.3 結構設計29-32
• 3.3 有限元模型的建立32-35
• 3.3.1 幾何模型32-33
• 3.3.2 壓電陶瓷參數(shù)設置33-34
• 3.3.3 有限元模型34-35
• 3.4 有限元模型的求解35-38
• 3.4.1 模態(tài)求解與后處理35-37
• 3.4.2 諧響應求解與后處理37-38
• 3.5 本章內(nèi)容小結38-39
• 4.換能器加工與裂紋缺陷分析39-51
• 4.1 引言39
• 4.2 換能器加工39-44
• 4.2.1 刀具制備39-41
• 4.2.2 裝配圖及零件圖41-44
• 4.3 紅外超聲熱像檢測實驗及分析44-50
• 4.3.1 缺陷生熱原理44-45
• 4.3.2 紅外超聲熱像檢測實驗45-46
• 4.3.3 有限元仿真分析46-48
• 4.3.4 仿真結果分析與討論48-50
• 4.4 本章內(nèi)容小結50-51
• 5.性能測試及切割實驗51-63
• 5.1 引言51
• 5.2 工作模態(tài)測試及分析51-56
• 5.2.1 測試裝置51-53
• 5.2.2 數(shù)據(jù)分析53-56
• 5.3 位移振幅測量及分析56-58
• 5.3.1 測試裝置56-57
• 5.3.2 實驗結果與分析57-58
• 5.4 組織切割實驗58-61
• 5.4.1 實驗系統(tǒng)58-59
• 5.4.2 靜力切割59
• 5.4.3 超聲切割59-61
• 5.5 本章內(nèi)容小結61-63
• 6.總結與展望63-65
• 6.1 全文工作總結63
• 6.2 未來工作展望63-65
• 參考文獻65-71
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果71-72
• 致謝72-73

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

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本文編號：812511