發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 11:54

　　 小行星探測是當(dāng)前深空探測的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一,對(duì)太空資源的開發(fā)、建設(shè)小行星預(yù)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(yuǎn)意義�；�于壓電驅(qū)動(dòng)的超聲波鉆具有鉆壓力小、體積小、功耗低等特點(diǎn),因此在小行星探測領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。本文利用理論計(jì)算、仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究等方式,開展單晶壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)超聲波鉆的設(shè)計(jì)、溫度特性及高低溫環(huán)境適應(yīng)性研究。開展超聲波鉆壓電換能器驅(qū)動(dòng)特性研究�；�于彈性體動(dòng)力學(xué)微分方程,建立了超聲波鉆壓電換能器的波動(dòng)方程,確定了換能器的尺寸參數(shù);利用有限元方法對(duì)壓電換能器進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析;利用阻抗分析儀和激光位移傳感器開展預(yù)緊力矩對(duì)壓電換能器輸出特性影響規(guī)律研究;對(duì)壓電換能器進(jìn)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�；�于有限元方法建立壓電換能器工作過程溫升仿真模型,獲取其各關(guān)鍵部位溫升情況;在溫升分析基礎(chǔ)上利用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,開展壓電換能器頻率漂移特性研究;結(jié)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(yīng)力分布。研制單晶壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)超聲波鉆原理樣機(jī)。為滿足超聲波鉆高低溫環(huán)境適應(yīng)性研究需求,研制超聲波鉆高低溫驅(qū)動(dòng)特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)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(jìn)速率等參數(shù)。開展超聲波鉆驅(qū)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)同一種鉆進(jìn)介質(zhì),研究鉆壓力對(duì)超聲波鉆鉆進(jìn)效率影響;針對(duì)不同鉆進(jìn)介質(zhì),研究超聲波鉆對(duì)不同可鉆性等級(jí)的鉆進(jìn)介質(zhì)的鉆進(jìn)效率;開展超聲波鉆高低溫驅(qū)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證超聲波鉆壓電換能器溫度特性理論模型的準(zhǔn)確性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V476.4
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(zhì)量塊的動(dòng)態(tài)行為，為減小超聲波鉆聲學(xué)長度，提出了折疊式變幅桿構(gòu)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(zhì)和接觸力[15–17]。德國帕德博恩大學(xué)的研究人員在鉆探器樣機(jī)，如圖 1-2 所示[18,19]，利用實(shí)驗(yàn)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(jié)果較為吻合。英國格拉斯哥大學(xué)研究了球形鉆探效率的影響，并且對(duì)比了全波長換能器和半能差異[20,21]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李賀對(duì)超聲波鉆量塊的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了跟蹤研究，如圖 1-3 所示了自由質(zhì)量的沖擊動(dòng)力學(xué)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(zhì)量為和接觸力[15–17]。德國帕德博恩大學(xué)的研究人員在 J波鉆探器樣機(jī)，如圖 1-2 所示[18,19]，利用實(shí)驗(yàn)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(zhì)分析結(jié)果較為吻合。英國格拉斯哥大學(xué)研究了球形自于鉆探效率的影響，并且對(duì)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(xué)的李賀對(duì)超聲波鉆壓質(zhì)量塊的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了跟蹤研究，如圖 1-3 所示[究了自由質(zhì)量的沖擊動(dòng)力學(xué)特性[24,25]。圖 1-2 德國帕德博恩大學(xué)研制的超聲波鉆探器

(c) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鉆探器圖 1-5 壓電回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器究結(jié)果均表明壓電回轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)，然而鉆進(jìn)效率受排屑影響較大。電機(jī)回轉(zhuǎn)沖探器在沖擊式超聲波鉆探器的基礎(chǔ)上增加了電磁電機(jī)，利用電機(jī)驅(qū)屑，提升了鉆進(jìn)效率，但是降低了對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)性，增加了系統(tǒng)電回轉(zhuǎn)沖擊式超聲波鉆探器利用單壓電陶瓷疊堆實(shí)現(xiàn)了鉆具的回轉(zhuǎn)動(dòng)，但仍存在問題：JPL 和格拉斯哥大學(xué)提出的縱扭復(fù)合型變幅桿回的回轉(zhuǎn)力矩受恢復(fù)彈簧的預(yù)緊力影響，預(yù)緊力過大會(huì)導(dǎo)致自由質(zhì)量響鉆進(jìn)效率，預(yù)緊力過小導(dǎo)致回轉(zhuǎn)力矩偏小。哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(yīng)用的領(lǐng)域選擇合器至關(guān)重要。由于小行星表面是弱引力環(huán)境，鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的碎屑一起，對(duì)鉆進(jìn)效率影響不大。因此針對(duì)小行星探測，沖擊式超聲波鉆
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本文編號(hào)：2886196