超声固接金属增材制造压电振子的动力学建模与结构设计

论文摘要

超声固接是基于片层压原理的金属增材制造技术,通过高频振动与静压力作用,实现金属箔材间的固态冶金结合,并通过逐层固接的方法实现高性能结构的制造,是一种实现先进材料与结构低成本、绿色制造的新方法。压电振子是超声固接设备中产生振动并实现能量转换的核心部件,也是本文的主要研究对象。在固接过程中,压电振子处于复杂的边界条件下,同时涉及机械夹持和摩擦,这对系统的动力学特性的影响显著,从而对材料固接后的性能产生直接影响。高效准确的动力学分析方法是实现压电振子结构优化设计的关键。本文聚焦超声固接设备中的压电振子,具体研究内容如下:1、概述了金属增材制造技术及其原理分类,论述了超声金属增材制造的优越性及发展趋势,详述了超声固接技术的原理。然后聚焦超声固接设备的核心部件——压电振子,提出了本文的主要研究问题。2、对压电振子建模方法进行介绍,通过对比几种常用动力学建模方法的特点表述了传递矩阵法建立压电振子动力学耦合模型的优势。详细推导了传递矩阵法建立动力学耦合模型的具体方法和步骤。3、基于传递矩阵法建立了压电振子结构的动力学耦合模型,利用Matlab对传递矩阵动力学模型进行求解,获得谐振频率、振速比、振型、最大输出振幅等动力学响应结果。4、利用有限元分析软件Ansys建立了同一压电振子的有限元模型。利用两种方法建立的动力学模型分别进行仿真计算,通过计算结果的对比分析验证模型。两个模型计算得到的谐振频率、振速比、焊头最大振幅的相对误差分别为2.8%、3.9%、6.7%,验证了传递矩阵法建立的动力学耦合模型的有效性。5、利用所建立的传递矩阵模型对压电振子结构参数进行优化分析。首先介绍了利用传递矩阵模型对压电振子进行结构尺寸优化的具体思路,然后通过该优化思路以压电振子结构的谐振频率(20kHz)为设计目标对其结构尺寸进行优化分析,通过调整结构尺寸,压电振子的谐振频率从20.9kHz降为为20.04kHz。此外,利用传递矩阵法建立的半波换能器动力学模型,探讨了推完式压电振子系统中两个对称分布半波换能器的电激励匹配方式。通过上述工作,本文建立了针对超声固接设备压电振子结构的动力学耦合模型,并提出了利用该模型对压电振子进行结构优化设计的方法与步骤,为下一步针对已设计新型压电振子结构研究奠定基础。

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摘要

Abstract

第1章引言

1.1 金属增材制造

1.1.1 增材制造技术

1.1.2 金属增材制造技术

1.1.3 金属增材制造技术分类

1.1.4 金属增材制造工程应用现状

1.2 超声固接金属增材制造技术

1.2.1 超声固接金属增材制造原理

1.2.2 超声固接金属增材制造技术的优势

1.2.3 超声固接金属增材制造技术的运用

1.2.4 超声固接金属增材制造发展现状

1.3 本文主要研究对象和主要研究内容

1.3.1 超声固接设备中的压电振子结构

1.3.2 动力学建模方法

1.3.3 本文主要研究内容

第2章传递矩阵法动力学建模

2.1 基础单元结构纵振模型

2.1.1 等截面弹性杆纵振模型

2.1.2 变截面弹性杆纵振模型

2.1.3 压电单元纵振模型

2.2 阻尼特性

2.2.1 弹性杆的阻尼特性

2.2.2 压电材料的阻尼特性

2.3 传递条件

2.3.1 弹性杆间的串联传递

2.3.2 多个弹性杆间的纵振传递

2.3.3 弹性杆与压电单元间的纵振传递

2.4 系统传递矩阵模型

2.5 本章小结

第3章推挽结构压电振子系统的动力学建模

3.1 引言

3.1.1 压电振子系统结构分析

3.1.2 压电振子系统离散化

3.2 半波换能器的传递矩阵模型

3.2.1 半波换能器传递矩阵模型

3.2.2 传递条件和边界条件

3.2.3 半波换能器传递矩阵模型

3.3 工具头结构的传递矩阵模型

3.3.1 调幅器的传递矩阵模型

3.3.2 焊头结构的传递矩阵模型

3.3.3 工具头整体的传递矩阵模型

3.4 压电振子系统的传递矩阵模型

3.5 本章小结

第4章数值仿真与验证

4.1 引言

4.2 半波换能器数值仿真与验证

4.2.1 结构设计

4.2.2 传递矩阵法建模与仿真分析

4.2.3 仿真结果对比验证

4.3 压电振子系数值仿真与验证

4.3.1 结构设计

4.3.2 传递矩阵法建模与仿真分析

4.3.3 有限元法建模与仿真分析

4.3.4 仿真结果对比验证

4.4 本章小结

第5章基于传递矩阵模型的结构设计与分析

5.1 结构设计及分析

5.2 对称分布换能器结构的电激励匹配分析

5.3 本章小结

第6章总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 本文创新之处

6.3 进一步研究展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 廖梦娇

导师: 王寅

关键词: 超声固接,金属增材制造,压电振子,传递矩阵,动力学耦合模型

来源: 华侨大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,工业通用技术及设备,计算机软件及计算机应用

单位: 华侨大学

基金: 国家自然科学基金“超声固接金属增材制造压电振子系统分析与设计”(项目编号:51505161),福建省自然科学基金:“超声固接金属增材制造压电振子表面作用机理及其特性测评技术”(项目编号:2016J01236)

分类号: TB559;TP391.7

总页数: 108

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