超聲波/聲波鉆探器的設計與試驗
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,對其進行結構動力學分析和參數(shù)化設計�？紤]接觸邊界條件,建立了超聲波/聲波鉆探器沖擊動力學模型,利用顯式算法對鉆探過程中的應力分布進行了分析。根據(jù)分析結果確定了設計方案,對壓電換能器進行了模態(tài)試驗,并利用高速攝影系統(tǒng)對自由質量的運動進行分析,對樣機進行了鉆探試驗,得到了相應的鉆探性能,初步得到了自由質量的運動規(guī)律與鉆探性能的關系。試驗結果表明,通過配備恰當?shù)淖杂少|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量,自由質量開始在頭部和鉆桿之間做聲波頻率的往復碰撞,能量通過自由質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/聲波鉆探器的結構優(yōu)化設計超聲波/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換[12],其動力學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)分析可得到結構的各階固有振動參數(shù),結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)隨鉆探器的結構參數(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)化設計過程中必須把它們識別出來,通過采用計算振型的相關系數(shù)指標法,利用ANSYS參數(shù)化設計語言APDL編程來實現(xiàn)[13-15]。振型相關系數(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構特征量對于設計參數(shù)的偏導數(shù),即分析結構參數(shù)改變對結構動態(tài)特性的敏感程度,為在換能器的結構動力學特性優(yōu)化設計中獲取合適的設計變量提供依據(jù),避免結構設計中的盲目性,達到提高設計效率的目的。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結構參數(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. 中國電機工程學報. 2008(33)
[4]面內模態(tài)直線型超聲電機的優(yōu)化設計[J]. 時運來,李玉寶,趙淳生. 中國電機工程學報. 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目標與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 歐陽自遠. 地球科學進展. 2004(03)
[7]預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量,自由質量開始在頭部和鉆桿之間做聲波頻率的往復碰撞,能量通過自由質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/聲波鉆探器的結構優(yōu)化設計超聲波/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換[12],其動力學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)分析可得到結構的各階固有振動參數(shù),結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)隨鉆探器的結構參數(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)化設計過程中必須把它們識別出來,通過采用計算振型的相關系數(shù)指標法,利用ANSYS參數(shù)化設計語言APDL編程來實現(xiàn)[13-15]。振型相關系數(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構特征量對于設計參數(shù)的偏導數(shù),即分析結構參數(shù)改變對結構動態(tài)特性的敏感程度,為在換能器的結構動力學特性優(yōu)化設計中獲取合適的設計變量提供依據(jù),避免結構設計中的盲目性,達到提高設計效率的目的。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結構參數(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. 中國電機工程學報. 2008(33)
[4]面內模態(tài)直線型超聲電機的優(yōu)化設計[J]. 時運來,李玉寶,趙淳生. 中國電機工程學報. 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目標與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 歐陽自遠. 地球科學進展. 2004(03)
[7]預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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