【摘要】：鉆探器在太空探測任務中具有重要的作用。鉆探器在天體表面鉆進一定深度進行取樣,將樣本帶回地球,有利于人類分析天體表面土壤的成分,從而幫助人類發(fā)現(xiàn)太空的奧秘。與普通電機驅動鉆相比,沖擊式超聲波鉆具有功率小、質量小、體積小和鉆壓力小等特點。壓電換能器是超聲波鉆的核心裝置,其輸出特性直接影響到超聲波鉆的鉆進效果。變幅桿是壓電換能器的重要組成部分,通過改變變幅桿的構型尺寸參數(shù),能夠改變換能器的諧振頻率以及輸出端振幅;施加預緊力是研制超聲波換能器過程中的重要環(huán)節(jié),通過改變預緊力的大小,能夠對換能器的性能產(chǎn)生影響;溫度對于壓電換能器的輸出有一定影響,在研究換能器驅動過程中,研究溫度變化對于提高超聲波鉆性能有重要意義。本文針對夾心式壓電換能器,開展了關于變幅桿構型尺寸參數(shù)、預緊力和熱傳遞的仿真及實驗研究。研究了五組變幅桿構型尺寸參數(shù)對換能器諧振頻率及輸出端振幅的影響,基于ANSYS有限元法,對夾心式換能器開展了模態(tài)分析和諧響應分析,得到不同尺寸下?lián)Q能器的諧振頻率與輸出振幅,進而評估給定范圍內最佳尺寸參數(shù)值。本文基于COMSOL物理仿真軟件,研究了預緊力對換能器輸出特性的影響,得出了換能器輸出隨預緊力的變化規(guī)律。針對不同直徑尺寸的換能器,設計了一個超聲波換能器的自動預緊平臺,從而能夠精確、緩慢地加載預緊力,并使用自動預緊平臺進行了實驗測試。在預緊力的基礎上,本文研究了換能器工作時的溫度變化,通過仿真得到了換能器穩(wěn)態(tài)時的表面溫度分布。通過實驗得到了換能器工作時的溫度變化曲線,驗證了仿真溫度分布結果的正確性,分析了實驗與仿真結果的誤差,并給出了造成實驗誤差的原因。
【圖文】：

.2 國內外的研究現(xiàn)狀及分析.2.1 超聲波鉆研究現(xiàn)狀為了解決外星體表面采樣時機器人手臂以及小型著陸器能夠提供鉆壓力太難題，JPL 的先進技術團隊與 Cybersonic 的工程師們基于壓電驅動原理共同開 USDC，如圖 1-1(a)所示。該類鉆探器的工作原理是通過將高頻振動轉化為低擊效應達到鉆機向下鉆進的效果。研發(fā)此類新型的超聲波鉆探器的目的是為宇航局檢測巖石、冰層和土壤等樣品提供支持，搜索宇宙中現(xiàn)存的甚至曾經(jīng)存但已凋亡的生命遺跡。USDC 由三個關鍵部件組成：壓電換能器、自由質量塊和鉆具。壓電換能器端的超聲頻振動（幾十千赫茲）經(jīng)自由質量塊轉化為鉆具的高頻振動（幾百赫茲），進而在軸向將巖石擊碎。不同于傳統(tǒng)鉆探器，USDC 僅需很小的鉆壓能夠鉆進硬度非常高的巖石，解決了傳統(tǒng)鉆探器在低重力環(huán)境下難以正常工問題。USDC 既能安裝在微型著陸器上，，又能搭載在小型巡視機器人上進行就測，如圖 1-1(b)所示[23]。

或垂直壁面上移動，從而對星球上一些常規(guī)機器人無法到達的區(qū)域[27]。表 1-1 USDC 與傳統(tǒng)鉆探器的性能比較表電磁電機驅動的鉆探器 USDC所需軸向載荷 >100 N <10 N平均功耗 >20~30 W 小于 2~3 W工作周期 很大的效率損失 極低的效率損失電流過載啟動階段是正常連續(xù)工作電流的 3~4 倍在工作循環(huán)中小于 20%引起的顫振導致安裝平臺 2~10 Hz 顫振和較大的力攝動對安裝平臺的影響微乎其微對基座的要求穩(wěn)定的安裝平臺，并需堅固的錨接在地面上無特殊要求鉆進柔軟巖石 主要依靠剪切和碎裂作用 主要依靠壓縮破壞作用鉆進堅硬巖石磨削作用，需經(jīng)常磨刃和更換鉆頭依靠疲勞碎裂作用，無需磨刃
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB552

【參考文獻】

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本文編號：2706503