仿生枪虾式压电射流泵的设计及实验研究

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1、分类号：TH323单位代码：10183研究生学号：2015412073密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）仿生枪虾式压电射流泵的设计及实验研究DesignandExperimentalResearchonBionicPistolShrimpPiezoelectricJetPump作者姓名：李如意类别：学术硕士领域（方向）：智能机械与精密机械指导教师：刘建芳教授培养单位：机械科学与工程学院2018年5月仿生枪虾式压电射流泵的设计及实验研究DesignandExperimentalResearchonBionicPis

2、tolShrimpPiezoelectricJetPump作者姓名：李如意领域（方向）：智能机械与精密机械指导教师：刘建芳教授学位类别：学术硕士答辩日期：2018年5月26日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博士(或硕士)学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所

3、取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕

4、士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：■硕士□博士学科专业：机械设计及理论论文题目：仿生枪虾式压电射流泵的设计及实验研究作者签名：指导教师签名：年月日作者联系地址（邮编）：吉林大学机械科学与工程学院（130025）作者联系电话：摘要针对枪虾大鳌的运动形态，本文结合压电叠堆与柔性铰链的优点，提出一种新型基于压电驱动的仿枪虾式单口射流泵。该射流泵具有结构简单、工作稳定、噪音小等优点。通过较为系统的设计、优化及实验研究，实现了流体的喷射及水下微小机构的推进。本文的研究内容主要包

5、括以下几个方面：首先对国内外传统的压电泵进行分析，并结合课题组以往压电泵的研究，对枪虾大鳌运动机理进行分析，基于压电驱动与柔性铰链的相关理论，设计了一种以压电叠堆为驱动源，以柔性铰链作为回转中心的单口射流泵。首先，借鉴枪虾大鳌移动端的形态对单口射流泵进行相关结构设计，利用Workbench仿真分析软件对柔性铰链杠杆放大机构进行静力学仿真分析，结果表明：在对压电叠堆输入电信号以后，压电陶瓷的工作机制使压电叠堆沿着其极化方向进行伸长。由于压电叠堆的输出为位移，因此采用由位移反推计算力，找出在柔性铰链截面尺寸t=1.5mm时符

6、合结构设计需要，柔性铰链距离固定底端为l=10mm时的位置符合结构设计需要，并且随着压电叠堆输入电压的增加，输出端位移也随之增加。对柔性铰链位移放大机构进行模态分析，获取前六阶振型，对比观察可知，二阶振型符合使用目的，适合作为射流泵的驱动振型。对枪虾大鳌部分进行运动过程分析，参考其结构，模拟其运行过程，设计射流泵实验样机，对射流泵的流体喷射推力进行理论推导，分析泵腔内压力分布并建立动力学模型。利用COMSOL仿真软件对泵体建立的二维仿真模型，并利用流固耦合模块对模型进行流固耦合仿真分析。分别对振动膜片厚度、泵腔高度、泵腔

7、直径、输入电压、输入频率进行多组数据的模拟仿真分析。得出膜片厚度为0.1mm，泵腔高度为0.8mm，泵腔直径为16mm，输入的位移为d0.1mm，输入频率为60Hz时仿真结果最优。并通过模拟仿真分析出各个参数对射流泵出口流速的影响趋势。结合仿真结果，为了验证模拟枪虾大鳌的运动机制来构造新型单口射流泵的可行性，搭建试验测试系统平台，对射流泵样机进行试验研究。通过测量石蜡小球在水中移动距离来评估射流泵的工作性能。首先对射流泵进行基本的性能测试，确定基本参数，改变电压试验，得出石蜡小球移动的距离随着电压的增大而增大；在最大电

8、压100V时，移动距离最远，可达46.2mm；同样改变输入信号I吉林大学硕士学位论文的频率，当频率为60Hz时,石蜡小球的移动距离最远。随后对泵体的结构参数进行试验性优化，分析泵腔高度对输出性能的影响，从绘制的实验结果曲线看出，随着泵腔高度的增加，石蜡小球移动的距离先增加后减小，在0.8mm时石蜡移动距离最远；对泵腔