纵振型超声振子的设计与有限元分析

利用压电陶瓷的逆压电效应,依据夹心式压电超声换能器的设计理论,设计了一款可用于旋转超声铣削加工的纵振型超声振子。采用PZFLex仿真软件对影响超声振子谐振频率的因素进行了仿真研究,结果表明:超声振子谐振频率随刀具有效长度和过渡圆柱长度的增加而减小,随预紧螺栓长度和后端盖孔深度的增加而增大。根据仿真结果加工了纵振型超声振子,并对振子进行阻抗分析,测得其谐振频率为17.41 kHz,实物测得的谐振频率与仿真模型中预测的误差为5.763 6%。最后,基于实物测得的谐振频率,在200 V电压激励下测得振子输出的纵向振幅为2.016μm,可以满足旋转超声铣削加工的要求,从而验证了模型的有效性,为超声振子的进一步优化设计提供依据。     

板料渐进成形超磁致伸缩超声换能器设计及磁场均匀度研究（英文）

设计了一种超磁致伸缩超声换能器,用有限元分析软件对理论设计的超声振动系统进行动力学分析,并对换能器进行了实验测试,验证了理论设计和仿真分析的正确性。为了研究导磁材料厚度对超磁致伸缩材料内磁场均匀度的影响规律,在超磁致伸缩棒与永磁体之间设置导磁材料,对换能器进行了磁场仿真分析。在对换能器进行阻抗分析和振幅测量基础上,对有无导磁材料时换能器的性能进行对比。实验结果表明:在超磁致伸缩材料与永磁体之间设置1.6 mm左右厚的导磁材料时,超磁致伸缩棒内的磁场均匀度最高;添加导磁材料后,超磁致伸缩换能器的输出振幅增大,机械品质因数减小,阻抗减小,使换能器工作更加稳定。     

一种新型微型杆式超声电机及其驱动原理

提出了一种新型微型杆式超声电机,并对该杆式电机的驱动机理进行了仿真。该电机采用两段金属柱体压紧5片压电陶瓷片作为定子。该定子结构和压电陶瓷片的布局方式可以提高其机电转换效率。为尽量减小定、转子之间的径向滑移以提高摩擦传动效率,电机采用了柔性转子,对原理样机及其微型驱动器进行了性能实验。电机的外径为9mm,长度为15mm,重3.2g。当电机工作在杆式定子的一阶弯曲频率(72kHz)附近时,电机实测最大转速为520r/min,最大输出力矩为4.5mN·m。实验结果表明,该电机具有良好的稳定性,利用频率自动跟踪技术对电机转速进行闭环控制,可以将其转速波动稳定在3%之内。     

冰层中Lamb波传播特性的数值模拟和实验研究

作为最常用的超声导波之一,Lamb波具有能量集中、传播范围广、沿程衰减小等特点,可以拓展应用于结冰探测领域。为探明Lamb波在冰层中的传播规律,基于Lamb波探冰实验平台构建物理模型,以COMSOL Multiphysics软件为计算工具,数值模拟了不同厚度、不同长度冰层中的Lamb波传播情况。在此基础上,搭建了Lamb波探冰实验平台,开展了无冰铝板和覆冰铝板Lamb波传播实验。结合数值模拟和实验结果,明确了温度、冰层几何特性、液态水对Lamb波传播特性的影响规律。结果表明：温度越低,Lamb波传播群速度越快;在一定冰层厚度范围内,接收端压电片电压幅值衰减量随冰层厚度增大而增大;随着冰层长度增加,接收端Lamb波B1模态时间延迟量线性增大;液态水仅对Lamb波A0模态产生影响,对S0模态影响不大。实验和数值模拟结果具有较好的一致性,为Lamb波结冰探测技术提供了理论参考。     

多片压电双晶片并联驱动器的设计

针对微型无人机在受到外界干扰时通过自适应控制来实现飞行的稳定性设计了一种多片压电双晶片并联驱动的新型驱动器.用功率放大器和频谱分析仪分别对驱动器的在空载和带栽情况下的静态特性和动态特性进 行了测试,分析比较了在不同负载下单片压电双晶片和双片压电双晶片组成的驱动器的驱动能力,测得了双片 压电双晶片并联驱动器的输出位移和驱动电压之问的传递函数.实验结果表明:该驱动器不仅可以实现位移放 大,而且可以通过多片压电双晶片并联补偿驱动器的输出力,为设计新型压电双晶片驱动器提供了新的思路,同 时为压电双晶片驱动器的自适应控制提供了参考.     

宽电压输入范围调节/变换装置的建模与仿真

提出了一种适用于未来先进飞机的新型专用电源系统的设计方案，它由永磁同步发电机和宽电压输入范围的变换／调节装置组成。本文利用Matlab工具建立了宽电压输入范围变换／调节装置的仿真模型。另外，还对滤波器的结构和参数对输出直流电压脉动和发电机相电流波形的影响及相电流谐波进行了仿真分析。仿真结果表明，在Boost-buck变换器之前增加滤波器，并不能改善系统直流输出电压脉动情况，反而会造成发电机三相电流谐波含量增大，对发电机产生不利的影响。新型专用电源系统直流电压脉动幅值的控制是靠变换器自身调节实现的。     

屏蔽阳极模板随动式微细电铸的定域性研究

屏蔽阳极模板随动式微细电铸技术是一种新颖的金属微结构加工方法,具有工艺简单、成本低以及高深宽比微结构加工能力的优点。电沉积定域性是影响其复制精度和分辨率的核心因素。对电沉积定域性进行了理论分析和实验研究,结果表明:极间距对定域性的影响较大,杂散沉积宽度随着极间距线性增大;而在极间距一定时,极间电压(即电沉积电流密度)、屏蔽胶膜厚度及微槽特征宽度不影响电沉积的定域性。     

复合材料补片参数对修理后金属结构疲劳性能的影响

为评估复合材料补片参数对修理后金属结构疲劳性能的影响,本文基于复变量Green函数方法,利用AF-GROW软件建立了复合材料补片胶接修补损伤飞机金属结构裂纹扩展寿命分析模型.研究结果表明:(1)该模型精度较高,可以满足工程要求;(2)修理结构的裂纹扩展寿命随着补片宽度的增大而增加,但增幅越来越小,寿命变化曲线趋于平稳,(3)由于无法考虑脱粘扩展,结构修理后的裂纹扩展寿命随补片厚度只呈现上升趋势;(4)在可达性满足的情况下,宜对含裂纹结构进行双面修理.     

后缘小翼型智能旋翼桨叶模型设计分析与试验研究

提出了一种基于推挽式双X压电驱动机构的后缘小翼型智能旋翼方案,开展了后缘小翼型智能旋翼模型的设计分析与试验研究.空载试验主要用于验证驱动机构的驱动特性,测试了压电堆和驱动机构的静态输出;为了验证悬停时小翼在铰链力矩作用下驱动机构能否有效驱动后缘小翼,进行了加载试验.试验采用线性霍尔传感嚣对推挽式双X型驱动机构在不同电压和频率驱动下小翼的偏转角度进行了测量.理论分析与试验测试结果基本吻合,压电驱动机构能够有效驱动后缘小翼,该智能旋翼方案是合理和可行的.     

谐振式飞机结冰探测传感器仿真及实验研究

为实现飞机表面积冰厚度非接触式高精度测量,建立压电传感器、铝板及冰层组成的有限元仿真模型,通过机电阻抗分析法研究了飞机结冰厚度对系统谐振频率及阻抗的影响规律,获得压电传感器设计参数;搭建地面冷环境实验平台,采用阻抗分析仪测量不同结冰温度和积冰厚度作用下的系统谐振频率.结果表明:基于压电传感器的谐振探测法能够有效测量基体...     

小型杆式超声电机及其驱动电源的研究

开发了一种驱动仪表指针用的新型小型杆式超声电机,分析了电机定子等效电路参数的测量方法.为了缩小驱动电源的尺寸,根据谐振升压原理,研制了与该杆式超声电机相匹配的小型无变压器驱动电路.理论分析证明,当选择基波频率驱动、开关信号占空比为0.65时,驱动电路的工作效率最高.实验结果表明,电机的最高空载转速为520 r/min,最大输出扭矩为4.5×10-3N·m,故验证了样机及驱动电源设计方案的正确性.     

一种新型无线传感器网络电源设计

通过对压电陶瓷的机电能量转换机理和电能存储特性的研究,设计一种压电发电装置和相应的能量转换及存储电路为无线传感器网络供电。针对常规整流电路输入电流存在死区、呈尖顶波的特点,利用非线性阻抗元件的导通、关断及储能的特性,采用交叠泵升的电路连结形式,设计一种非线性阻抗变换整流电路,有效地克服和缩小了输入电流的死区范围。     

多阵元液体压力激波发生器设计与声场数值模拟

设计了一种多阵元液体压力激波发生器，它由多个压电陶瓷换能器组成，每个换能器经激励产生脉冲超声波，通过球形几何聚焦后。在聚焦区域形成高能、瞬时压力激波。文中用阻抗分析仪和高频扫描激光测振系统对单元换能器进行了基本性能的测试，在此基础上。对单元换能器的声场、激波发生器的声场进行了数值模拟，其结果与声场实测数据基本吻合。该激波发生器具有聚焦效果好、能量可控及结构简单等优点，可用于复合材料打孔及金属表面强化等场合。     

Power Supply of Macro-Micro Driven Linear Piezoelectric Motor

To investigate a novel macro and micro driven linear piezoelectric motor composed of an ultrasonic motor with macro movement and a piezoelectric actuator with micro movement,a digital signal processing(DSP)based macro and micro power supply is designed,which fits the new linear piezoelectric motor.The power supply comprises a control circuit,a voltage conversion circuit,an amplifier circuit,a half-bridge module,an optical isolatorsdrive circuit,etc,where the DSP of TMS320F28335 is used as the controller.When the linear piezoelectric motor working in a macro driven state,the power supply outputs alternating currents with high frequency and high voltage,which drives the linear piezoelectric motor dynamically at an ultrasonic frequency;while working in the micro driven state,the power supply outputs direct currents with high voltage,which drives the linear piezoelectric motor in micro driven statically.Here a prototype of the macro-micro power supply is designed.After a series of experiments on the power supply with and without loads,the results show that the power supply can drive and control the macro micro driven linear piezoelectric motor,and realizes quick and seamless switch between macro and micro drive.In addition,the power supply can drive and control the ultrasonic motor or piezoelectric ceramic micro actuator individually.The power supply achieves the multiple parameters of output signals adjustable simultaneously and exhibits good control characteristics.     

压电智能结构的实验研究

在复合材料表层铺设压电元件，利用压电元件能够实现力学量和电学量之间相互转化的独特性能，可将其用作传感器和驱动器，赋予材料和结构传感及动作的能力。本研究的压电材料采用锆钛酸铅压电陶瓷，基体材料采用玻璃纤维－环氧树脂复合材料，与外部信号采集和控制系统结合，构成了智能结构实验系统。本文对这一系统的损伤诊断和损伤主动控制功能进行了实验研究。该结构一方面可对冲击、过载等可能造成损伤的原因进行监测，并诊断裂缝、连接松动等损伤的产生和位置，另一方面还可自适应地驱动结构中的压电驱动器，改善结构应力状态，防止损伤的扩展。     

功能梯度压电夹层板条中的反平面裂纹问题

本文研究了夹在两个均匀压电材料半空间中功能梯度压电板条内的反平面裂纹问题。假设功能梯度压电夹层板条的材料参数沿厚度方向连续变化,并考虑裂纹面上电绝缘型和电渗透型两种边界条件。利用Fourier变换,首先将混合边值问题转化为对偶积分方程,即而归结为求解第二类Fredholm积分方程。通过数值计算,求得了功能梯度压电夹层板条内反平面裂纹的应力强度因子、电位移强度因子和能量释放率,分析了材料物性参数梯度、几何尺寸和载荷条件对它们的影响。     

利用压电主动构件进行空间桁架结构的振动控制(英文)

主动控制是增强结构设计鲁棒性、提高结构性能的一种有效方法。本文利用在空间桁架结构内部配置的压电主动构件作为控制执行元件,进行了结构的主动阻尼控制实验,获得了较好的阻尼控制效果.首先设计了一种用于桁架结构控制中的压电堆式主动构件,并对其进行了实验研究,然后采用直接速度反馈控制策略,实现了结构的主动阻尼控制。文中还引入模态耗散能因子的概念,讨论了主动构件的优化配置问题.通过实验比较了空间桁架结构开环和闭环时的振动响应,说明了文中所述方法的有效性.     

压电陶瓷布局对除冰效果的影响研究

用仿真与实验的方式研究了压电陶瓷除冰技术在复合材料上的应用.通过有限元仿真研究了在能耗相等的前提下压电陶瓷布局(数目、间距)对除冰效果的影响,并进行了冷环境下除冰实验.仿真结果表明:按合理的布局方式,将尺寸较大的单块压电陶瓷分成尺寸较小的多块时,会有比大尺寸单块压电陶瓷更好的除冰效果;随着压电陶瓷间距的减小,除冰效果进...     

翼型曲面的压电振动除冰方法研究

以缩比后的翼型前缘曲面为研究对象,对压电振动除冰的方法进行了理论和实验研究。针对翼型曲面的特殊性,以有限元模型导出的翼型截面离散点为基础,设计了针对翼型曲面和不同压电元件尺寸下的压电元件可贴区域的求解算法,并通过五点共圆法和四点共圆法的理论思想得出翼型曲面各点切法向矢量的求解算法。针对翼型曲面研究了压电元件的布局规律。结果表明,翼型曲面结构下,压电元件的激励效果随着间距的增大而减弱,压电元件布置在振型波峰位置附近有最佳的激励效果。在粘贴接触面积一定的前提下,激励效果随着相对贴片数量的增加而减弱,而压电元件的贴片集中度越高,激励效果越好。实验得到了较好的除冰效果,验证了布局方式的可行性,同时除冰功率最大为69.77W·m-2,低于电热除冰系统所需功耗。     

混沌电路的传感应用

将混沌理论与电路理论相结合，分析了一些能产生混沌的电路，对帐篷映射迭代产生混沌的基本原理和性质进行了研究。并在仿真试验的基础上，设计出一种基于帐篷映射的差分混沌电路。根据混沌的初值敏感性以及输入值和混沌轨道的一一对应性，在理论上提出并论证了利用符号动力学的基本理论度量被测信号的可能性，将混沌电路应用于传感器设计，并成功地完成了基本模型试验，给出了基本的实验数据及其分析，开拓了混沌理论应用的新领域。