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《中南大学》 2007年
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超声铸造中换能系统失谐现象分析及其设计研究

黄运明  
【摘要】: 超声波铸造是当今铝合金铸造技术的一个新的发展方向。但至今人们对铸造组织受超声波影响的规律和条件尚不清楚,因此有必要在该领域内展开深入研究,研制在冶金工业上应用的功率超声换能系统便成为了首要的问题。论文包含以下几部分研究内容: 1.本文首先利用激光多普勒测速仪和阻抗分析仪测量了现有的超声波换能系统的纵向谐振频率、输出端的振速、输出位移振幅和实际工作频率等一系列性能参数。然后针对超声换能系统在模拟实验和现场实验中不能正常工作的现象,先后进行了水模拟实验、压电陶瓷温度模拟实验和变幅杆温度实验,得出了超声系统不能正常工作的主要原因之一应与变幅杆部分温度太高引起其材料属性变化,造成系统失谐有关。 2.为解决由于这一原因引起的换能系统失谐,本文按照高温时的材料参数设计了适合高温环境的新换能系统,使新换能系统的谐振频率仍维持在设定的20KHz。本文首先探讨了任意变截面的波动方程及其求解方法,分析了换能器和变幅杆的物理模型和数学模型,并建立了设计方程,在此基础上进行了换能器、前后端盖、变幅杆和工具头的结构设计;并推导了超声换能系统的压电晶堆等效电路图,就阶梯形变幅杆的最佳圆弧等细节问题进行了设计计算。 3.利用ANSYS有限元软件,对结构进行了动力学仿真分析。首先利用模态分析方法建立了有限元模型,求解常温下、高温下的定制换能系统以及所设计的新换能系统的固有频率和振型。通过模态分析结果,得到了结构的动态特性和整体振幅分布情况,也进一步表明了换能系统失谐的主要原因之一应与高温下变幅杆的材料属性发生变化有关。利用谐响应分析得到了定制换能系统和所设计的新换能系统在高频电压信号激励作用下的位移响应,从谐响应分析结果得到构件在不同频率信号下的位移变化情况。通过对比仪器测量和设计计算的结果,验证了设计过程、有限元模型的正确性和简化的合理性,为结构的动力学优化设计提供直接的理论分析依据。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG27

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