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《超磁致伸缩功率超声换能器振动系统分析_李寅博》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、超磁致伸缩功率超声换能器振动系统分析_李寅博第4期(总第161期)2010年8月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATIONNo.4Aug.文章编号:1672-6413(2010)04-0013-03超磁致伸缩功率超声换能器振动系统分析李寅博,曾海泉(沈阳工业大学机械工程学院,辽宁 沈阳 110023)*摘要:稀土超磁致伸缩材料(GMM)是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有磁致伸缩应变大、磁机耦合系数高、响应速度快、能量密度高等优异特性,已在
2、机电领域显示出良好的应用前景。介绍了超磁致伸缩功率超声换能器的结构以及工作原理,利用有限元方法建立了换能器的振动模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,其数学模型与ANSYS仿真表明所建立的仿真模型可以反映出换能器结构与谐振频率之间的关系。结果表明该方法是可行的,开辟了求解磁致伸缩问题的新思路。关键词:超磁致伸缩;换能器;有限元法;谐振频率+中图分类号:TB34∶TN712.2文献标识码:A———————————————————————————————————————————————0 引言超磁致
3、伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterial,简写为GMM)是70年代美国海军研究所Clark等人首先研制出来的一种新型功能材料。稀土超磁致伸缩材料的应用范围十分广阔,涉及军事、民用等方面,著名的美国Etrema公司认为Terfenol-D材料的应用行业及应用产品几乎是无限的。超磁致伸缩材料的超大功率(比压电陶瓷高数十倍)超声技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途,如它可使废旧轮胎脱硫再生,可使农作物大幅度增产,可加速化工过程的化学反应。超磁致伸缩换能器
4、的常用设计方法包括以下几种:机电等效电路法、有限差分法、边界元法、有限元法和有限元与边界元综合分析法[1]。有限元法是换能器设计中比较有效的方法之一,目前大型通用有限元软件也有几种,能够充分开发利用通用软件的功能无疑对提高换能器的设计精度和设计效率具有重要意义。本文采用有限元法,建立了超磁致伸缩换能器的动力学模型并进行了振动分析。1 超声换能器工作原理超磁致伸缩换能器工作原理为:由高频电源产生高频电流施加于换能器的激磁线圈上,超磁致伸缩棒Terfenol-D在交变的磁场作用下发生伸缩变化将高频电
5、能转换成高频的机械振动,如果换能器结构设计合理且阻抗匹配精确,可驱动负载以相应的频率振动,传递出大功率声能。*国家自然科学基金资助项目(50875771)———————————————————————————————————————————————收稿日期:2009-11-09;修回日期:2010-02-20作者简介:李寅博(1983-),男,辽宁沈阳人,在读硕士研究生。换能器结构如图1所示。由图1可知:在设计中考虑到了磁路闭合原理,上下导磁片、磁致伸缩棒、调节螺钉等构成闭合磁路;碟形弹簧通过调
6、节螺钉对超磁致伸缩棒施加一定的预紧力。当线圈通入一定的电流产生励磁磁场时,超磁致伸缩棒将产生相应的形变并振动,通过变幅杆传递出来大功率的超声波。2 有限元模型的建立2.1 有限元单元的离散化由于稀土超磁致伸缩材料较脆,多为棒料,故分析时只考虑轴向振动。此外功率超声换能器为轴对称结构,在有限元建模时可以按杆单元来考虑。可将GMM沿轴向划分为m个单元,则有m+1个节点。对于每个单元有2个节点i、j,设这2个节点的坐标和位移分别为zi、ui及zj、uj。在这2个节点之间的任一位置上的棒的位移可表示为:
7、uix=Ni(z)ui+Nj(z)uj=[Ni(z)Nj(z)]=Wu[Ni(z)Nj(z)][We]。ui其中:[We]为这2个节点的位移列阵,[We]=;———————————————————————————————————————————————Ni(z)、Nj(z)为插值函数。由于每个单元有2个节点,在一维情况下只有2个自由度,所以插值函数为一次多项式,即线性插值。所以位移函数可表示为坐标的线性函数:u=T1+T2z。将2个节点的坐标及位移代入可以求得:·14·T1= 机械工程与自动化2
8、010年第4期 ijji。zj-zijiT2=。zj-ziuiu=[zj-zzj-z]=[N][We]。……zj-ziu…………………………………………………(1)其中:[N]是坐标的函数,它反映了单元的位移状态,称其为形状函数。单元的各点应变可表示为:e==。……………………(2)Xdxdx2.2 振动系统有限元模型的建立[2]根据哈密尔顿最小势能原理,对一个动态系统,———————————————————————————————————————————————在满足变形连续条件(几何方程、位
