本文關(guān)鍵詞：微型壓電超聲換能器的研究與設(shè)計

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【摘要】：超聲波在國防工業(yè)、機(jī)械電子、材料制造以及醫(yī)療等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，隨著其應(yīng)用領(lǐng)域地不斷擴(kuò)展，超聲技術(shù)在經(jīng)濟(jì)體中的地位也愈加重要。相較于傳統(tǒng)的方式，醫(yī)療超聲在診斷和治療中有著極大的優(yōu)勢。如今，醫(yī)學(xué)中的很多研究已處于細(xì)胞和分子領(lǐng)域，研究對象尺度非常小。因此，為了減少目標(biāo)損傷和提高純凈度，超聲振動系統(tǒng)小型化的需求成為必然，而這其中的重點便是超聲換能器和刀具的小型化。本文主要研究了壓電超聲換能器的微型化設(shè)計、加工及優(yōu)化，缺陷和負(fù)載對換能器工作的影響以及微型壓電超聲換能器在顯微切割中的應(yīng)用等幾個方面，全文的主要研究成果如下： （1）選取微型壓電超聲換能器零件材料，依據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)法計算了微型超聲換能器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了兩端自由的超聲換能器有限元模型，通過模態(tài)和諧響應(yīng)分析，得到了換能器諧振頻率，結(jié)點位移等參數(shù)以及在各個模態(tài)下的振型圖。 （2）分別繪制了超聲換能器壓緊螺母、前后蓋板、預(yù)應(yīng)力螺栓、變幅桿和刀具的零件圖以及總體裝配圖，并依此加工了換能器的各零件，用電化學(xué)腐蝕法加工了符合尺度的刀具，加工了最大直徑僅6mm、長64mm的微型壓電超聲換能器。 （3）針對換能器工作中可能出現(xiàn)的異常發(fā)熱現(xiàn)象，建立了服役中超聲刀具微裂紋相對運動的有限元模型，，對工作狀態(tài)下微裂紋表面的動接觸行為和發(fā)熱現(xiàn)象分別進(jìn)行了實驗及仿真分析，結(jié)果表明：裂紋兩表面的振動是不一致的，裂紋中部溫度明顯高于其它部位，而且溫度趨勢是先快速升高后下降至平穩(wěn)。 （4）對微型壓電超聲換能器的各項關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測量，分別搭建了系統(tǒng)導(dǎo)納測量平臺和振幅測量平臺，通過數(shù)據(jù)測量建立了超聲換能器的導(dǎo)納—頻率關(guān)系和振幅—電壓關(guān)系，并推斷出了其振型和諧振頻率。然后與仿真及理論設(shè)計的計算結(jié)果進(jìn)行了對比，分析了造成差異的原因，并優(yōu)化了換能器的結(jié)構(gòu)。 （5）比較了不同負(fù)載條件下超聲換能器導(dǎo)納和頻率的變化，并據(jù)此計算了針對實驗負(fù)載的匹配電感，為提高超聲換能器的工作效率提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。搭建了微型壓電超聲換能器切割實驗系統(tǒng)，通過對比是否施加超聲振動切割動物微組織的實驗，展示了將超聲技術(shù)引入顯微切割領(lǐng)域的損傷小、切口清晰和易操作的優(yōu)勢。
【關(guān)鍵詞】：超聲換能器 顯微切割 微裂紋 有限元
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB552
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1.緒論11-19
• 1.1 本課題的研究背景、目的及意義11
• 1.2 超聲換能器概述11-13
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.4 本文研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)16-19
• 2.換能器的設(shè)計理論及顯微切割機(jī)理19-27
• 2.1 引言19
• 2.2 超聲換能器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理19-21
• 2.2.1 基本結(jié)構(gòu)19
• 2.2.2 工作原理19-21
• 2.3 超聲變幅桿的設(shè)計方法及影響因素21-25
• 2.3.1 設(shè)計方法21-24
• 2.3.2 影響因素24-25
• 2.4 超聲顯微切割機(jī)理25
• 2.5 本章小結(jié)25-27
• 3.換能器的設(shè)計及有限元分析27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 微型超聲換能器設(shè)計27-32
• 3.2.1 設(shè)計準(zhǔn)則及目標(biāo)27
• 3.2.2 材料選擇27-29
• 3.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計29-32
• 3.3 有限元模型的建立32-35
• 3.3.1 幾何模型32-33
• 3.3.2 壓電陶瓷參數(shù)設(shè)置33-34
• 3.3.3 有限元模型34-35
• 3.4 有限元模型的求解35-38
• 3.4.1 模態(tài)求解與后處理35-37
• 3.4.2 諧響應(yīng)求解與后處理37-38
• 3.5 本章內(nèi)容小結(jié)38-39
• 4.換能器加工與裂紋缺陷分析39-51
• 4.1 引言39
• 4.2 換能器加工39-44
• 4.2.1 刀具制備39-41
• 4.2.2 裝配圖及零件圖41-44
• 4.3 紅外超聲熱像檢測實驗及分析44-50
• 4.3.1 缺陷生熱原理44-45
• 4.3.2 紅外超聲熱像檢測實驗45-46
• 4.3.3 有限元仿真分析46-48
• 4.3.4 仿真結(jié)果分析與討論48-50
• 4.4 本章內(nèi)容小結(jié)50-51
• 5.性能測試及切割實驗51-63
• 5.1 引言51
• 5.2 工作模態(tài)測試及分析51-56
• 5.2.1 測試裝置51-53
• 5.2.2 數(shù)據(jù)分析53-56
• 5.3 位移振幅測量及分析56-58
• 5.3.1 測試裝置56-57
• 5.3.2 實驗結(jié)果與分析57-58
• 5.4 組織切割實驗58-61
• 5.4.1 實驗系統(tǒng)58-59
• 5.4.2 靜力切割59
• 5.4.3 超聲切割59-61
• 5.5 本章內(nèi)容小結(jié)61-63
• 6.總結(jié)與展望63-65
• 6.1 全文工作總結(jié)63
• 6.2 未來工作展望63-65
• 參考文獻(xiàn)65-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果71-72
• 致謝72-73

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：812511