《模式轉換型徑扭複合功率超聲振動系統的研究》是依託浙江師範大學，由劉世清擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：模式轉換型徑扭複合功率超聲振動系統的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉世清
- 依託單位：浙江師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於目前的一維縱向複合模式超聲振動系統，本項目提出一種二維平面徑向複合結構的模式轉換型徑扭複合功率超聲振動系統。該系統由壓電陶瓷圓盤或一組縱向振動超聲換能器與斜縫式圓環徑向複合而成。項目旨在從理論和實驗上探索此類新型徑扭複合模式超聲振動系統的設計理論。擬通過引入徑扭振動模式轉換應力耦合參數，結合具體的邊界條件，推導出系統徑扭複合模式振動的耦合機電等效電路及其共振頻率方程。在此基礎上，探討系統的共振頻率、有效機電耦合係數、阻抗等機電特性參數與其幾何尺寸之間的依賴關係；探討斜縫的傾角、位置等參數對系統共振頻率、振幅及角振幅放大係數以及輸出特性的影響。利用數值模擬法對系統的徑扭複合振動模態、位移及角位移分布以及頻率特性進行仿真與最佳化，並通過實驗對系統的機電特性參數、振動模態以及複合振動輸出特性進行驗證。為此類徑扭複合模式超聲振動系統的設計及套用奠定初步的理論與實驗基礎。
結題摘要
本項目在國家自然科學基金資助下，課題組成員團結合作，圓滿完成了項目研究的全部內容和任務，達到項目預期的研究目標。 項目對提出的二維平面徑向複合型徑扭振動模式轉換超聲振動系統進行了研究。該系統由壓電陶瓷圓盤或一組縱向振動夾心換能器與斜縫式金屬彈性圓環徑向複合而成。基於彈性力學理論及機電類比原理，通過引入模式轉換耦合參數，建立起系統的徑扭模式轉換複合振動的耦合機電等效電路理論模型，得出了複合共振頻率方程。對系統的頻率特性、阻抗特性、位移振幅等機電特性進行了較系統的理論、仿真和實驗研究，獲得了一些有套用價值的結果，為此類徑扭複合振動系統套用奠定了理論和實驗基礎。研究重點主要在以下幾方面： 1、首先在圓盤徑向振動基礎上，研究了沿半徑開狹縫的圓環徑向振動特性。基於機電類比原理，通過引入面積比係數，推導出了斜縫式圓環徑向振動等效電路及頻率方程；得到了徑向位移放大係數的表達式；通過數值計算，探討了圓環第1、2階徑向共振頻率及位移放大係數與其半徑比的關係；探究了斜縫長度、角度及數量對系統共振頻率及位移振幅的影響，並進行了有限元仿真。研究表明，狹縫式圓環振幅放大係數隨其半徑比的變化出現極大值，並隨狹縫數量、長度及寬度的增加而增大；而徑向共振頻率則隨三者增加而降低。 2、研究了模式轉換型壓電換能器的徑扭複合振動特性。系統由厚度極化壓電圓盤與斜縫式金屬圓環(等厚度和變厚度)徑向複合，構成由內向外的壓電複合振動系統。基於彈性理論理論，通過引入徑向和徑扭耦合參數，得到了系統的機電等效電路模型和頻率方程。研究了系統共振頻率與斜縫角度與圓環半徑比關係；實驗測試了系統共振及反共振頻率、導納頻率曲線；通過有限元模態和諧回響分析，得到了30、45及60度斜角時系統外側質點運動的橢圓軌跡圖。研究表明，理論、仿真和實驗測試結果比較一致;45度斜角橢圓離心率較小，形態較好。 3、對由一組夾心式換能器與斜縫式錐形變厚度圓環徑向複合而成的超聲橢圓振動功率合成系統進行了有限元仿真研究。引入了扭徑比函式，利用仿真方法研究了系統第1、2階徑扭複合共振頻率與斜縫角度、縫數及縫長之間的關係；採用諧回響及瞬態分析方法，得到了系統諧振狀態下，輻射面質點橢圓軌跡圖，探討了橢圓軌跡形態與斜縫長度、斜縫角度等幾何參數之間的關係。並通過實驗驗證了功率合成系統共振頻率的仿真結果。
