超聲固接金屬增材制造壓電振子的動力學(xué)建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)布時間：2020-08-08 17:34

【摘要】：超聲固接是基于片層壓原理的金屬增材制造技術(shù),通過高頻振動與靜壓力作用,實現(xiàn)金屬箔材間的固態(tài)冶金結(jié)合,并通過逐層固接的方法實現(xiàn)高性能結(jié)構(gòu)的制造,是一種實現(xiàn)先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)低成本、綠色制造的新方法。壓電振子是超聲固接設(shè)備中產(chǎn)生振動并實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件,也是本文的主要研究對象。在固接過程中,壓電振子處于復(fù)雜的邊界條件下,同時涉及機械夾持和摩擦,這對系統(tǒng)的動力學(xué)特性的影響顯著,從而對材料固接后的性能產(chǎn)生直接影響。高效準(zhǔn)確的動力學(xué)分析方法是實現(xiàn)壓電振子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。本文聚焦超聲固接設(shè)備中的壓電振子,具體研究內(nèi)容如下:1、概述了金屬增材制造技術(shù)及其原理分類,論述了超聲金屬增材制造的優(yōu)越性及發(fā)展趨勢,詳述了超聲固接技術(shù)的原理。然后聚焦超聲固接設(shè)備的核心部件——壓電振子,提出了本文的主要研究問題。2、對壓電振子建模方法進(jìn)行介紹,通過對比幾種常用動力學(xué)建模方法的特點表述了傳遞矩陣法建立壓電振子動力學(xué)耦合模型的優(yōu)勢。詳細(xì)推導(dǎo)了傳遞矩陣法建立動力學(xué)耦合模型的具體方法和步驟。3、基于傳遞矩陣法建立了壓電振子結(jié)構(gòu)的動力學(xué)耦合模型,利用Matlab對傳遞矩陣動力學(xué)模型進(jìn)行求解,獲得諧振頻率、振速比、振型、最大輸出振幅等動力學(xué)響應(yīng)結(jié)果。4、利用有限元分析軟件Ansys建立了同一壓電振子的有限元模型。利用兩種方法建立的動力學(xué)模型分別進(jìn)行仿真計算,通過計算結(jié)果的對比分析驗證模型。兩個模型計算得到的諧振頻率、振速比、焊頭最大振幅的相對誤差分別為2.8%、3.9%、6.7%,驗證了傳遞矩陣法建立的動力學(xué)耦合模型的有效性。5、利用所建立的傳遞矩陣模型對壓電振子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。首先介紹了利用傳遞矩陣模型對壓電振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的具體思路,然后通過該優(yōu)化思路以壓電振子結(jié)構(gòu)的諧振頻率(20kHz)為設(shè)計目標(biāo)對其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析,通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸,壓電振子的諧振頻率從20.9kHz降為為20.04kHz。此外,利用傳遞矩陣法建立的半波換能器動力學(xué)模型,探討了推完式壓電振子系統(tǒng)中兩個對稱分布半波換能器的電激勵匹配方式。通過上述工作,本文建立了針對超聲固接設(shè)備壓電振子結(jié)構(gòu)的動力學(xué)耦合模型,并提出了利用該模型對壓電振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法與步驟,為下一步針對已設(shè)計新型壓電振子結(jié)構(gòu)研究奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB559;TP391.7
【圖文】：