小行星探測是當前深空探測的熱點領域之一,對太空資源的開發(fā)、建設小行星預警防御體系、研究太陽系的形成與演化過程及揭示生命起源等具有深遠意義。基于壓電驅動的超聲波鉆具有鉆壓力小、體積小、功耗低等特點,因此在小行星探測領域具有顯著優(yōu)勢。本文利用理論計算、仿真分析和實驗研究等方式,開展單晶壓電陶瓷驅動超聲波鉆的設計、溫度特性及高低溫環(huán)境適應性研究。開展超聲波鉆壓電換能器驅動特性研究。基于彈性體動力學微分方程,建立了超聲波鉆壓電換能器的波動方程,確定了換能器的尺寸參數(shù);利用有限元方法對壓電換能器進行模態(tài)分析和諧響應分析;利用阻抗分析儀和激光位移傳感器開展預緊力矩對壓電換能器輸出特性影響規(guī)律研究;對壓電換能器進行阻抗匹配,減少其無功損耗。開展超聲波鉆壓電換能器溫度特性研究�；谟邢拊椒ń弘姄Q能器工作過程溫升仿真模型,獲取其各關鍵部位溫升情況;在溫升分析基礎上利用預應力模態(tài)分析,開展壓電換能器頻率漂移特性研究;結合理論與仿真分析開展壓電換能器頻率溫度特性研究;基于有限元方法分析壓電陶瓷疊堆在不同環(huán)境溫度下應力分布。研制單晶壓電陶瓷驅動超聲波鉆原理樣機。為滿足超聲波鉆高低溫環(huán)境適應性研究需求,研制超聲波鉆高低溫驅動特性測試實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)可提供高低溫環(huán)境,并監(jiān)測超聲波鉆鉆壓力、鉆進速率等參數(shù)。開展超聲波鉆驅動特性實驗研究。針對同一種鉆進介質,研究鉆壓力對超聲波鉆鉆進效率影響;針對不同鉆進介質,研究超聲波鉆對不同可鉆性等級的鉆進介質的鉆進效率;開展超聲波鉆高低溫驅動特性實驗研究;實驗驗證超聲波鉆壓電換能器溫度特性理論模型的準確性。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V476.4
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文人員基于梅森等效電路的思想建立了超聲波鉆探，研究了自由質量塊的動態(tài)行為，為減小超聲波鉆聲學長度，提出了折疊式變幅桿構型，如圖 1-1(b出采用赫茲接觸理論和模態(tài)疊加法來分析自由質和接觸力[15–17]。德國帕德博恩大學的研究人員在鉆探器樣機，如圖 1-2 所示[18,19]，利用實驗方法揭利用有限元法和集中參數(shù)模型等方式建立了自由分析結果較為吻合。英國格拉斯哥大學研究了球形鉆探效率的影響，并且對比了全波長換能器和半能差異[20,21]。哈爾濱工業(yè)大學的李賀對超聲波鉆量塊的動力學行為進行了跟蹤研究，如圖 1-3 所示了自由質量的沖擊動力學特性[24,25]。

提出采用赫茲接觸理論和模態(tài)疊加法來分析自由質量為和接觸力[15–17]。德國帕德博恩大學的研究人員在 J波鉆探器樣機，如圖 1-2 所示[18,19]，利用實驗方法揭示，利用有限元法和集中參數(shù)模型等方式建立了自由質分析結果較為吻合。英國格拉斯哥大學研究了球形自于鉆探效率的影響，并且對比了全波長換能器和半波性能差異[20,21]。哈爾濱工業(yè)大學的李賀對超聲波鉆壓質量塊的動力學行為進行了跟蹤研究，如圖 1-3 所示[究了自由質量的沖擊動力學特性[24,25]。圖 1-2 德國帕德博恩大學研制的超聲波鉆探器

(c) 哈爾濱工業(yè)大學的鉆探器圖 1-5 壓電回轉沖擊式超聲波鉆探器究結果均表明壓電回轉沖擊式超聲波鉆探器相較于沖擊式超聲波鉆探效率。擊式超聲波鉆探器克服了傳統(tǒng)電磁鉆探器的軸向力大、功耗大等缺壓力即可實現(xiàn)高效鉆進，然而鉆進效率受排屑影響較大。電機回轉沖探器在沖擊式超聲波鉆探器的基礎上增加了電磁電機，利用電機驅屑，提升了鉆進效率，但是降低了對極端環(huán)境的適應性，增加了系統(tǒng)電回轉沖擊式超聲波鉆探器利用單壓電陶瓷疊堆實現(xiàn)了鉆具的回轉動，但仍存在問題：JPL 和格拉斯哥大學提出的縱扭復合型變幅桿回的回轉力矩受恢復彈簧的預緊力影響，預緊力過大會導致自由質量響鉆進效率，預緊力過小導致回轉力矩偏小。哈爾濱工業(yè)大學提出的式增加了鉆探器的軸向長度和重量。因此根據(jù)所應用的領域選擇合器至關重要。由于小行星表面是弱引力環(huán)境，鉆進過程中產生的碎屑一起，對鉆進效率影響不大。因此針對小行星探測，沖擊式超聲波鉆
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本文編號：2886196