基于超声波/声波能量耦合机理的钻探器研究

【摘要】：本课题是在国家自然科学基金项目《超声波/声波能量耦合动力学行为及应用研究》（项目编号：50975135）及南京航空航天大学基本科研业务费专项科研项目基金（NJ2011001）的资助下进行的关于超声波/声波钻探器的研究。 超声波/声波钻探器不仅具有结构简单、体积小、重量轻、能耗低等特点，而且具有无需轴向力这一突出优点，因而在深空探测取样方面具有广阔的应用前景。本文围绕超声波/声波钻探器的结构动力学设计和试验技术，主要开展了如下的研究工作和内容： 1、针对超声波/声波能量耦合现象的振动与碰撞动力学本质，将其抽象为具有集中质量的弹簧-质量-阻尼系统，定性分析了压电驱动的超声波与声波能量耦合的动力学行为。 2、建立了超声波/声波能量耦合系统中压电换能部分的有限元模型，开展了模态分析和谐响应分析及优化设计后，得到了优化的设计方案，加工并实际制作了样机。 3、建立了超声波/声波钻探器与介质的冲击动力学模型，利用显式算法对钻探过程中的应力分布进行了分析。 4、开展了超声波/声波钻探器的性能试验研究，利用高速摄影系统对自由质量的运动进行分析，并比对样机的钻探性能，初步得到了自由质量的运动规律与钻探性能的关系。 5、考虑到深空探测的应用环境，理论结合试验研究了常态环境下超声波/声波钻探器和压电陶瓷元件材料及振动特性的变化，分析了温度载荷对钻探器钻探性能的影响，设计了利于低温环境使用的基于压电单晶（PMNT）的超声波/声波钻探器，并测试了样机的性能。