超聲波/聲波鉆探器的設(shè)計與試驗
發(fā)布時間：2020-12-17 16:04
為了滿足深空探測中鉆探取樣的需求,提出了一種基于超聲波/聲波能量耦合機理的新型鉆探器,對其進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析和參數(shù)化設(shè)計�？紤]接觸邊界條件,建立了超聲波/聲波鉆探器沖擊動力學(xué)模型,利用顯式算法對鉆探過程中的應(yīng)力分布進行了分析。根據(jù)分析結(jié)果確定了設(shè)計方案,對壓電換能器進行了模態(tài)試驗,并利用高速攝影系統(tǒng)對自由質(zhì)量的運動進行分析,對樣機進行了鉆探試驗,得到了相應(yīng)的鉆探性能,初步得到了自由質(zhì)量的運動規(guī)律與鉆探性能的關(guān)系。試驗結(jié)果表明,通過配備恰當?shù)淖杂少|(zhì)量,可以獲得較好的鉆探效果,在深空探測方面具有一定的實用價值。
【文章來源】：振動.測試與診斷. 2013年02期 北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
超聲波/聲波鉆探器示意圖
(主要為縱振),并通過其變幅桿將振幅放大。通過變幅桿頂端的縱振以沖擊的方式將能量傳遞到自由質(zhì)量,自由質(zhì)量開始在頭部和鉆桿之間做聲波頻率的往復(fù)碰撞,能量通過自由質(zhì)量的碰撞與沖擊傳遞到鉆桿,然后傳遞到鉆頭與巖石接觸界面。當這種沖擊積聚到超過巖石的疲勞強度時,與鉆頭接觸部位的巖石就粉碎了[4,11]。1.2超聲波/聲波鉆探器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計超聲波/聲波鉆探系統(tǒng)主要依靠工作在超聲波/聲波頻率的壓電換能器來實現(xiàn)電能到高頻振動能量的轉(zhuǎn)換[12],其動力學(xué)特性和較大的振幅輸出直接影響著整個鉆探器的能量傳遞特性。圖2為超聲波/聲波鉆探器中壓電換能器部分的參數(shù)化模型,選取了7個設(shè)計參數(shù)(后端蓋直徑與變幅桿后端的直徑相同,參數(shù)同為R1)。預(yù)緊螺栓和尾部材料均為鋼,其單元類型為solid45;壓電材料為PZT8的縱振片,其單元類型為solid5;前端變幅桿的材料為鋁,單元類型為solid45。圖2鉆探器選取的有限元優(yōu)化參數(shù)對換能器有限元模型進行模態(tài)分析可得到結(jié)構(gòu)的各階固有振動參數(shù),結(jié)果中除包含需要的工作模態(tài)外(本研究需要縱振模態(tài)),還有許多其他模態(tài)存在。需要的工作模態(tài)隨鉆探器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而改變,階次和順序在整個模態(tài)中是未知的;因此,在優(yōu)化設(shè)計過程中必須把它們識別出來,通過采用計算振型的相關(guān)系數(shù)指標法,利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL編程來實現(xiàn)[13-15]。振型相關(guān)系數(shù)的大小反映了兩個振型的相似程度[13],值越大則相似程度越高。根據(jù)這點,可以達到在優(yōu)化過程中對所需振型的識別。振型相關(guān)系數(shù)的大小定義為M=[?ts?o]2(?ts?s)(?ts?s)=∑nk=1?sk?ok2∑nk=1?sk?sk∑nk=1?ok?ok(0≤M≤1)其中:φs和φo分別為初始計算振型和優(yōu)化中所計算的振型。變幅桿頂端大的振幅有利于將能量通過動能傳
穌裥偷南嗨瞥?度[13],值越大則相似程度越高。根據(jù)這點,可以達到在優(yōu)化過程中對所需振型的識別。振型相關(guān)系數(shù)的大小定義為M=[?ts?o]2(?ts?s)(?ts?s)=∑nk=1?sk?ok2∑nk=1?sk?sk∑nk=1?ok?ok(0≤M≤1)其中:φs和φo分別為初始計算振型和優(yōu)化中所計算的振型。變幅桿頂端大的振幅有利于將能量通過動能傳遞給自由質(zhì)量[4],故目標函數(shù)定義為Fobj=1/Amax其中:Amax為變幅桿頂端截面的振幅。編寫優(yōu)化程序的文件,賦予各個參數(shù)初值,在ANSYS中單步運行,觀察各個參數(shù)對目標函數(shù)的靈敏度(見圖3)。靈敏度分析目的在于獲取結(jié)構(gòu)特征量對于設(shè)計參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),即分析結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的敏感程度,為在換能器的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性優(yōu)化設(shè)計中獲取合適的設(shè)計變量提供依據(jù),避免結(jié)構(gòu)設(shè)計中的盲目性,達到提高設(shè)計效率的目的。對目標函數(shù)影響最大的參數(shù)是變幅桿的長度L4,其他參數(shù)影響較校將參數(shù)L4定義為優(yōu)化變量,采用零階方法進行優(yōu)化計算并得到最優(yōu)解。當L4=71.3mm時,振幅最大。為了便于機械加工,在最優(yōu)解附近取幾組數(shù)據(jù),分別采用并施加300V的工作電壓做諧響應(yīng)分析,當L4=70mm時得到了一組具有較大振幅的數(shù)據(jù)(見表1),同時得到了變幅桿頂端從前到后的位移分布(見圖4)�？梢钥闯鲰敹说奈灰谱畲�,并且從頂端開始遞減(以70mm做為加工的參數(shù))。圖3結(jié)構(gòu)參數(shù)對目標函數(shù)影響253第2期陳超,等:超聲波/聲波鉆探器的設(shè)計與試驗
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于近場聲懸浮的非接觸式直線型壓電作動器[J]. 孫運濤,陳超. 中國機械工程. 2010(24)
[2]基于ANSYS/LS-DYNA礦用圓環(huán)鏈超聲波探傷的仿真研究[J]. 苗培實,李文斌,梁義維. 煤礦機械. 2009(01)
[3]高速大推力直線型超聲電機的設(shè)計與實驗研究[J]. 李玉寶,時運來,趙淳生,黃衛(wèi)清. 中國電機工程學(xué)報. 2008(33)
[4]面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機的優(yōu)化設(shè)計[J]. 時運來,李玉寶,趙淳生. 中國電機工程學(xué)報. 2008(30)
[5]一種新型的超聲波/聲波鉆探器[J]. 郭俊杰,黃衛(wèi)清,李志榮. 壓電與聲光. 2008(05)
[6]我國月球探測的總體科學(xué)目標與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 歐陽自遠. 地球科學(xué)進展. 2004(03)
[7]預(yù)壓力對壓電疊層作動器性能的影響[J]. 鄭凱,閻紹澤,溫詩鑄,葉青. 壓電與聲光. 2003(05)
本文編號：2922311
【文章來源】：振動.測試與診斷. 2013年02期 北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
超聲波/聲波鉆探器示意圖
(主要為縱振),并通過其變幅桿將振幅放大。通過變幅桿頂端的縱振以沖擊的方式將能量傳遞到自由質(zhì)量,自由質(zhì)量開始在頭部和鉆桿之間做聲波頻率的往復(fù)碰撞,能量通過自由質(zhì)量的碰撞與沖擊傳遞到鉆桿,然后傳遞到鉆頭與巖石接觸界面。當這種沖擊積聚到超過巖石的疲勞強度時,與鉆頭接觸部位的巖石就粉碎了[4,11]。1.2超聲波/聲波鉆探器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計超聲波/聲波鉆探系統(tǒng)主要依靠工作在超聲波/聲波頻率的壓電換能器來實現(xiàn)電能到高頻振動能量的轉(zhuǎn)換[12],其動力學(xué)特性和較大的振幅輸出直接影響著整個鉆探器的能量傳遞特性。圖2為超聲波/聲波鉆探器中壓電換能器部分的參數(shù)化模型,選取了7個設(shè)計參數(shù)(后端蓋直徑與變幅桿后端的直徑相同,參數(shù)同為R1)。預(yù)緊螺栓和尾部材料均為鋼,其單元類型為solid45;壓電材料為PZT8的縱振片,其單元類型為solid5;前端變幅桿的材料為鋁,單元類型為solid45。圖2鉆探器選取的有限元優(yōu)化參數(shù)對換能器有限元模型進行模態(tài)分析可得到結(jié)構(gòu)的各階固有振動參數(shù),結(jié)果中除包含需要的工作模態(tài)外(本研究需要縱振模態(tài)),還有許多其他模態(tài)存在。需要的工作模態(tài)隨鉆探器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而改變,階次和順序在整個模態(tài)中是未知的;因此,在優(yōu)化設(shè)計過程中必須把它們識別出來,通過采用計算振型的相關(guān)系數(shù)指標法,利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL編程來實現(xiàn)[13-15]。振型相關(guān)系數(shù)的大小反映了兩個振型的相似程度[13],值越大則相似程度越高。根據(jù)這點,可以達到在優(yōu)化過程中對所需振型的識別。振型相關(guān)系數(shù)的大小定義為M=[?ts?o]2(?ts?s)(?ts?s)=∑nk=1?sk?ok2∑nk=1?sk?sk∑nk=1?ok?ok(0≤M≤1)其中:φs和φo分別為初始計算振型和優(yōu)化中所計算的振型。變幅桿頂端大的振幅有利于將能量通過動能傳
穌裥偷南嗨瞥?度[13],值越大則相似程度越高。根據(jù)這點,可以達到在優(yōu)化過程中對所需振型的識別。振型相關(guān)系數(shù)的大小定義為M=[?ts?o]2(?ts?s)(?ts?s)=∑nk=1?sk?ok2∑nk=1?sk?sk∑nk=1?ok?ok(0≤M≤1)其中:φs和φo分別為初始計算振型和優(yōu)化中所計算的振型。變幅桿頂端大的振幅有利于將能量通過動能傳遞給自由質(zhì)量[4],故目標函數(shù)定義為Fobj=1/Amax其中:Amax為變幅桿頂端截面的振幅。編寫優(yōu)化程序的文件,賦予各個參數(shù)初值,在ANSYS中單步運行,觀察各個參數(shù)對目標函數(shù)的靈敏度(見圖3)。靈敏度分析目的在于獲取結(jié)構(gòu)特征量對于設(shè)計參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),即分析結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的敏感程度,為在換能器的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性優(yōu)化設(shè)計中獲取合適的設(shè)計變量提供依據(jù),避免結(jié)構(gòu)設(shè)計中的盲目性,達到提高設(shè)計效率的目的。對目標函數(shù)影響最大的參數(shù)是變幅桿的長度L4,其他參數(shù)影響較校將參數(shù)L4定義為優(yōu)化變量,采用零階方法進行優(yōu)化計算并得到最優(yōu)解。當L4=71.3mm時,振幅最大。為了便于機械加工,在最優(yōu)解附近取幾組數(shù)據(jù),分別采用并施加300V的工作電壓做諧響應(yīng)分析,當L4=70mm時得到了一組具有較大振幅的數(shù)據(jù)(見表1),同時得到了變幅桿頂端從前到后的位移分布(見圖4)�？梢钥闯鲰敹说奈灰谱畲�,并且從頂端開始遞減(以70mm做為加工的參數(shù))。圖3結(jié)構(gòu)參數(shù)對目標函數(shù)影響253第2期陳超,等:超聲波/聲波鉆探器的設(shè)計與試驗
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于近場聲懸浮的非接觸式直線型壓電作動器[J]. 孫運濤,陳超. 中國機械工程. 2010(24)
[2]基于ANSYS/LS-DYNA礦用圓環(huán)鏈超聲波探傷的仿真研究[J]. 苗培實,李文斌,梁義維. 煤礦機械. 2009(01)
[3]高速大推力直線型超聲電機的設(shè)計與實驗研究[J]. 李玉寶,時運來,趙淳生,黃衛(wèi)清. 中國電機工程學(xué)報. 2008(33)
[4]面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機的優(yōu)化設(shè)計[J]. 時運來,李玉寶,趙淳生. 中國電機工程學(xué)報. 2008(30)
[5]一種新型的超聲波/聲波鉆探器[J]. 郭俊杰,黃衛(wèi)清,李志榮. 壓電與聲光. 2008(05)
[6]我國月球探測的總體科學(xué)目標與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 歐陽自遠. 地球科學(xué)進展. 2004(03)
[7]預(yù)壓力對壓電疊層作動器性能的影響[J]. 鄭凱,閻紹澤,溫詩鑄,葉青. 壓電與聲光. 2003(05)
本文編號：2922311
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