發(fā)布時(shí)間：2020-12-17 16:04

　　為了滿足深空探測(cè)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(jī)理的新型鉆探器,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和參數(shù)化設(shè)計(jì)�？紤]接觸邊界條件,建立了超聲波/聲波鉆探器沖擊動(dòng)力學(xué)模型,利用顯式算法對(duì)鉆探過(guò)程中的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。根據(jù)分析結(jié)果確定了設(shè)計(jì)方案,對(duì)壓電換能器進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn),并利用高速攝影系統(tǒng)對(duì)自由質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了鉆探試驗(yàn),得到了相應(yīng)的鉆探性能,初步得到了自由質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與鉆探性能的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)配備恰當(dāng)?shù)淖杂少|(zhì)量,可以獲得較好的鉆探效果,在深空探測(cè)方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。 

【文章來(lái)源】：振動(dòng).測(cè)試與診斷. 2013年02期 北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

超聲波/聲波鉆探器示意圖

(主要為縱振),并通過(guò)其變幅桿將振幅放大。通過(guò)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(guò)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(dāng)這種沖擊積聚到超過(guò)巖石的疲勞強(qiáng)度時(shí),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(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)電能到高頻振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換[12],其動(dòng)力學(xué)特性和較大的振幅輸出直接影響著整個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)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(duì)換能器有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析可得到結(jié)構(gòu)的各階固有振動(dòng)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(gè)模態(tài)中是未知的;因此,在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中必須把它們識(shí)別出來(lái),通過(guò)采用計(jì)算振型的相關(guān)系數(shù)指標(biāo)法,利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL編程來(lái)實(shí)現(xiàn)[13-15]。振型相關(guān)系數(shù)的大小反映了兩個(gè)振型的相似程度[13],值越大則相似程度越高。根據(jù)這點(diǎn),可以達(dá)到在優(yōu)化過(guò)程中對(duì)所需振型的識(shí)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(jì)算振型和優(yōu)化中所計(jì)算的振型。變幅桿頂端大的振幅有利于將能量通過(guò)動(dòng)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(diǎn),可以達(dá)到在優(yōu)化過(guò)程中對(duì)所需振型的識(shí)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(jì)算振型和優(yōu)化中所計(jì)算的振型。變幅桿頂端大的振幅有利于將能量通過(guò)動(dòng)能傳遞給自由質(zhì)量[4],故目標(biāo)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(gè)參數(shù)初值,在ANSYS中單步運(yùn)行,觀察各個(gè)參數(shù)對(duì)目標(biāo)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(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),即分析結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的敏感程度,為在換能器的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)中獲取合適的設(shè)計(jì)變量提供依據(jù),避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的盲目性,達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率的目的。對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響最大的參數(shù)是變幅桿的長(zhǎng)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(jìn)行優(yōu)化計(jì)算并得到最優(yōu)解。當(dāng)L4=71.3mm時(shí),振幅最大。為了便于機(jī)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(dāng)L4=70mm時(shí)得到了一組具有較大振幅的數(shù)據(jù)(見表1),同時(shí)得到了變幅桿頂端從前到后的位移分布(見圖4)。可以看出頂端的位移最大,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(duì)目標(biāo)函數(shù)影響253第2期陳超,等:超聲波/聲波鉆探器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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