基于abaqus驻波超声电机摩擦材料特性仿真

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1、基于ABAQUS驻波超声电机摩擦材料特性仿真曲建俊，曲焱炎，王彦利(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：文章研究了驻波纵弯振子的振动，得出振子触头作椭圆运动规律，并进行了运动状态分析。提出利用高频转动的椭圆振子代替纵弯振动触头的模拟思路，给出了等效原理的证明。利用ABAQUS有限元软件对三种驱动模型，各向同性和各向异性两类材料，在不同压力下的空载速度、阻力和负载特性进行了计算分析，得出在纵向弹性模量相同的情况下，水平弹性模量大的各向异性材料的使用性能更优越。关键词：驻波超声电机；纵弯振动方程；abaqus仿真；摩擦材

2、料：预压力0前言超声电机作为不同于电磁电机基本原理的新型驱动器，与电磁电机不同，不是利用电磁场与动能的能量转化，而是利用振动和摩擦驱动实现能量的转化。在低速下，具有大扭矩，启停快的优势。以往的研究大多关注于行波超声电机定转子摩擦接触的研究⋯，它属于连续性接触。而对于驻波超声电机由于定子与转子(或振子与动子)是高频微幅的间断性接触，其研究较少心。。许海给出了面内振动的驻波超卢电机摩擦驱动模型H1。对于纵弯振子端点驱动的研究较少。影响超声电机接触界面输出特性的因素，认为有摩擦材料的弹性模量、剪切模量、密度，厚度、硬度、表面粗糙度H1

3、，涉及材料本身固有特性的只有模量和硬度，硬度是对应材料发生塑性变形的物理量。一般摩擦材料都是在弹性范围内工作。本文研究了各向同性和各向异性材料的弹性模量、剪切模量对振子驱动性能的影响。将各向异性材料用在振子上，有过很多文献报道旧儿刮川。哈工大近些年研究了摩擦层采用各向异性材料，并取得一些成果旧儿⋯。本文利用abaqus大型有限元软件，提出振子与动子间断接触几何及数学模型，对驻波电机使用各向同性和各向异性材料两类摩擦材料，进行了仿真。1纵弯振子结构及接触过程本文所采用的棒板组合纵弯振子图l所示，前后匹配块是压电陶瓷激发共振的弹性金

4、属体，纵振采用两组d，，模态的压电片，每组极性相同的侧面粘贴在一起。弯振也采用d33模态的压电片，在板的两侧同向粘贴。它是利用振子端点纵振和弯振耦合形成质点的椭圆运动来驱动动子，在动子表面贴附摩擦材料以减小磨损和冲击噪声。根据振动理论，当激发棒体的某阶纵向振动模态时，要将纵振压电片布置在棒体该模态的截面处，才能激发出棒两端的最大振幅。当激发棒体图1棒板组合式超声振动体的振动横向弯曲振幅最大。要想在端部触头的位置形成椭圆运动，纵振和弯振的共振频率要相同．．337．．或接近该模态的波峰处(即角位移为零截面)，杆两端的弯曲振动模态时，

5、作弯曲振动的压电陶瓷位于【1们。触头的椭圆运动尺度是微米级，而触头尺寸要在毫米以上，振子触头与摩擦材料处于微幅高频的接触状态。运动轨迹是绕节面(即运动和转角为零的平面，在此平面可认为静止。)横向余弦摆动和沿节面的上下正弦规律伸缩运动的合成，为一椭圆运动。图2为棒状振子触头在围绕椭圆的一个运动周期内的四个运动状态。(a)为触头在椭圆运动最高点，未接触。(b)为触头刚刚接触摩擦材料。(c)为振子触头在椭圆运动的最低点，接触压入最大深度。(d)为振子触头刚脱离摩擦材料。一＼]．．．1．．．．一><／触买7、、(b)Justcontac

6、t(C)Farthestcontact(d)Justdispart图2纵弯振子触头运动分析2椭圆运动仿真及接触等效原理2．1运动分析及假设由于Abaqus有限元软件在模拟物体沿特殊路径与另一物体接触作用时，无法描述特殊路径的轨迹，本文利用二维刚体椭圆代替纵弯振子与摩擦材料的接触作用。图3为椭圆旋转一周，椭圆体与摩擦材料分离与接触状态。在abaqus仿真研究设置接触区时，设置椭圆左半个椭圆为接触区。(a)为长轴水平，未接触。(b)为振子刚刚接触摩擦材料。(c)为椭恻振子接触压入最大深度。(d)为椭圆振子刚脱离摩擦材料。／](／：／

7、厂、{l、、一，(a)Nocontact(b)Justcontact(c)Farthestcontact(d)Justdispart图3椭圆体与摩擦材料接触状态由上分析可知纵弯振子及仿真椭圆与摩擦材料的接触都是间断性的。在不影响真实工况情况下，作如下假设t(1)椭岗体和纵弯振子触头均为刚性体，接触的摩擦材料为柔性体。(2)由于纵弯振子的摆幅很小，是微米级的，可以近似认为振子触头刚接触摩擦材料时轴线垂直于摩擦材料面。(3)根据振予做功相等原理，椭圆体压入摩擦材料柔性体的变形量如果等于纵弯振子压入摩擦材料变形量，可以认为椭圆体对柔性

8、体所作功等于纵弯振子对摩擦材料所作功。那么我们就可以用高频转动的椭圆体来代替纵弯振子，用以模拟驻波振子的驱动特性。2．2摩擦材料与振子接触变形量：．．338．．设椭圆运动的轨迹方程为长篇；㈩纵振幅一般为弯振的几倍，所以d>e。设触头圆半径为R，椭圆轨迹中心距摩擦