圆锥型压电换能器的动态设计与实验研究

［］ ２ 陈思功 ， 章恒ｊ ， ｊ 邓凯． 中 软件设计 中人因工程的研 究［］ 算机工程 与 Ｊ． 计 结构设计结束后在产 品配置 中添加相应 的尺寸信息后 ， 将 设计 ，０ ２ ２ （ ） —０ ２０ ，３４ ： １ ． ７ ３ 管峻 ， ， 刘更 贺朝霞 ， 基于协 同仿真环境的人机界面设计 ［］ 等． Ｊ＿ 机械设 全部的设计信息下发 到下游结构进行。 每次设计完成后用户可以 ［ ］ 计与制造 ， ０ （ ）２ ６ ２ ８ ２ ７７ ：４— ４ ． ０ 对本次设计进行评价发送至管理员 ， 也可以不提 出意见 。管理员 ［ ］ 习梅 ， ４彭 谭彦林 ． 论多媒体作品设计中的人机界面 ［］ Ｊ＿ 软刊，０ ８ １ ： ２０（ ）
从模态分析 的角度研究圆锥型夹心式压电换能器 ，可将换 能器简化结构型式 ， 图 １ 如 所示。这种结构 的换能器其前端为变
截面结构， 能产生聚能 的作用 。 结构上主要 由压 电陶瓷环 、 前后金
属盖板 、 预紧螺栓 、 铜电极和中央铜片组成 ， 中央铜片起到 电极 和 安装固定 的作用。陶瓷环材料为 Ｐ Ｔ ８晶片 、 Ｚ一 后盖板材料为 ４ ＃ ５ 钢、 前盖板 材料为铝合金 、 电极 材料为紫铜 （ 厚度分别 为 ０ ｍ ． ｍ ２
一
１ １ ． ２ ２ １ ６ ３ ８
２ ５１ ４
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４． ７ ４６ ５． １ １８
７７ ５ Ｚ． ５ ３２ ３． ５ ７
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分。 划分 网格后的有限元模 型， 如图 ３ 所示 。 根据功能与结构要
和 ０５ ） ．ｒ ａ
图 ３网格划分图
表 １压 电换 能 器 的材 料属 性 和 尺寸 参 数
图 ４施加约束后的模型
模态分析结果 ， 如图 ５ 图 ６所示 。 、 换能器的一 阶纵振云位移 图， 如图 ５ 所示 。 向位移路径图（ 轴 坐标零点为后盖板端面）如图 ， ６所示。可以看出 ， 压电换能器的前 盖板振幅最大 ， 后盖板其次 ， 二者位移方 向相反 ， 两组压电陶瓷环 中间位置的振幅最小 ， 位移
图 １模 板调 用
在评价查看中可以看到用户提出的建议 ， 管理员对意见反馈信息
８１ ８ ． — ３
［ ］ 国宁 ， ５祈 顾新建 ， 杨青海 ， 大批量定制原理及关键技术研究 ［］ 算 等． Ｊ计 进行整理后作为系统修改的依据。 机集成制造系统 ， ０ ，（ ） ７ — ８ ． ２ ３ ９９ ： ６ ７ ３ ０ ７ ［ ］ 艳秋 ， ， 民， 基于协 同优化 的动态模块化设计方法究［ １ ６ 肖 薛庆 王爱 等． Ｊ． 北京理工大学学报 ，０ ８２ （２ ：０ ０ １６ ． ２０ ，８ １ ）１６ － ０４ 系统在设计过程中充分考虑人因工程学知识 ，运用模 块化 ［］ ７ 吕利勇 ， 乔立红 ， 田苗． 王 面向产品生命周期 的产品模块分解方法研究 设计思想 ， 通过接 口关联的方法 ， 在系统可读性和可操作性等原 ［］ Ｊ． 计算机集成制造系统 ，０ ６ １（ ） ４ － ５ ． ２０ ， ４： ６５ １ ２ ５
机 械 设 计 与 制 造
６ 文章 编 号 ：０ １ ３ ９ （０ ２ ０ — ０ ６ ０ １０ — ９７ ２ １ ）３ ０ ０ — ３
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ
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Ｍａ ｕ ａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ
第 ３期 ２１ ０ ２年 ３月
圆锥 型压 电换 能 器的动 态设计 与 实验研 究 冰
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中图分 类号 ：Ｈ１，Ｂ ５ 文 献标识码 ： Ｔ ２Ｔ ５ ２ Ａ
１ Ｉ 弓 言
能结 简 、作 便 优 ，前 经 广 应 到 声 料 、构 单制 方 等 点 目 已 被 泛 用 超 物
压电换能器也称为 郎之万换能器 ，由于具有 良好的电声性 输送 、 超声加工 、 超声电机等相关领域… 压电换能器作为激振源 ， 。
★ 来稿 日期 ： １加５ １ ★ ２ １ —３ 基金项 目： 自 ０ 国家 然基金资助项 目 ５０５９ ） （１７１５
（ ｎｔｕｅ ｆ ｉｒｔ ｎＥ ｇｎ ｅｉｇＬａｎｎ ｎｖｒ ｔ ｏ Ｔ ｃｎ ｌｇ ，ｉｚｏ ２ ０ １Ｃ ｉａ ｓ ｔｔ ｏ Ｖ ｂａｉ ｎ ｉｅｒ ，ｉ ｉｇＵ ｉ ｓ ｙ ｆ ｅｈ ｏ ｙＪｎｈ ｕ１ １ ０ ， ｈｎ ） Ｉ ｉ ｏ ｎ ｏ ｅ ｉ ｏ
（ ｉｚｏ ｎｇＭａｈｎ ｒ（ ｒｕ ）ｏ，ｔ，ｉｚｏ ２ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｚｎｈ ｕＭｉｉ ｃｉｅ Ｇ ｏ ｐ Ｃ ． ｄ Ｊ ｈｕ １ １ ０ ，ｈｎ ） Ｊ ｙ Ｌ ｎ
【 摘
要】 对一种圆锥型夹心式压电换能器进行 了动态设计与实验分析。利用有限元分析方法对
换能器进行 了动态设计， 出了该类压电换能器有限元建模 方法， 给 分析 了换能器主要 结构尺寸对振动
模 态、 固有频率的影响。依据有限元分析结果， 出了一种基于数值分析的换能器优化设计方法， 提 简化 了设计过 程。在数值 分析 的基础上 ， 设计 、 制 了圆锥 型 夹心 式压 电换 能 器 ， 研 并对压 电换 能 器进 行 了性
．
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０ ９
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５６１
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组 ２之间， 并且前盖板轴向位移（ 振幅） 尽可能大。 为 了方便建模 ， 对螺纹孔和预紧螺栓进行简化处理并忽略 铜 电极的影响。根据材料属性和尺寸参数进行建模 ， 如表 １ 所 示 。／ 几何实体模型 ， 图 ２所示 。 电陶瓷环采用 ｓｌ ５ １ ２ 如 压 ｏｉ 耦合 ｄ 场实体单 元 ， 其它部 分采用 ｓｌ ４ 实体单元 。采用映射 网格划 ｏｄ ５ ｉ
Ｈｕ ｎ ｎ ｅｆ ｃ ｓ ｉ ｏ ｔｏ ｏ ． ｃ ｐ ｔ ｎ ｏ ｍａ ｓ Ｉ ｔ ｒａ ｅ ｎ Ｃ ｎ ｒ ｌ Ｒｏ ｍｓＣｏ ｋ ｉ ａ ｄ Ｃ ｍｍａ ｄ Ｃｅ ｔ ｒ ， ｓ ｎ ｎ ｅ ｓ Ｉ ｔｒ ａ ｉｎ ｌ ｏ ｆｒ ｎ ｅ。 ９ ９ ｎ ｅ ｎ ｔｏ ａ ｎ ｅ ｅ ｃ １ ９ ． Ｃ
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求 ， 中央铜 片的圆周施 加零 位移约束 ， 在 得到有限元分析模 型 ，
王宏祥 白 洋 胡 静 何 勃
（辽宁工业大学 振动工程研究所 ， ’ 锦州 １ １０ ） ２０ １ （锦州矿山机器集团有限公司， 锦州 １１０ ） ２０ ３
Ｄｙ ａ ｉ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｔ ｄ ｈ ｏ ｉａ ｉｚ ｅｌｃ ｒ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒ ｎ ｍ ｃ ｄ ｓｇ ｎ ｘ ｅ ｉ ｍｅ ｔ ｌ ｕ ｙ ｉ ｔ ｅ ｃ ｎｃ ｌ ｅ ｏ ｅ ｔｉ ｔ ｓ ｕ ｅ ｓ ｎ ｐ ｃ ａ ＷＡ Ｇ Ｈ ｎ －ｉｎ Ｂ Ｉ ａ ｇ， Ｕ Ｊ ｇ， ｉｇ Ｎ ｏ ｇ ｘ ｇ，Ａ ｎ Ｈ ｉ ２ Ｑ ｎ ａ Ｙ ｎ ＨＥ
理指导下进行发动机 陕速化设计系统的方案设计并进行开发 。 系
统帮助设计者快速并方便的完成发动机关键部件的设计。 后续的
研究工作是对 系统进行评价 ， 找出不足之处 ， 在用户反馈意见 的
基础上不断对 系统进行完善， 延长系统的生命周期。
参 考文献
［ ］ ａ ｈ ， ｕ ａ ｃ ｒ ｉ ｅｒ ｉ ａａ ｉ ｙｍ ｔ ｉ ｏ ｅ ［ ］ １ Ｅ ｒ ｙＲ Ａ ｈ ｍ ｎ ｆ ｔ ｓ ｎ ｇ ｔ ｎ ｃ ｂ ｉ ａ ｒｙｍ ｄ ｌＲ ． ｔ ａ ｏ ｔ ａｏ ｐ ｌ ｔ ｕｔ
能测试 。并将 实验 测试数 据和有 限元分析 结果进行 了对 比 ， 测试结果验 证 了数 值分析 与设 计方 法的合
理性。
关 键词 ： 换能器 ； 有限元 ， ｎ 模态分 析 ； 电 压
【 ｂｔａｔ Ｄ ｎｍｉ ｄｓ ｎａｄｅｐ ｒ ｎａ ａａ ｓ ａｅｂｅ ｏｅｏ ｏｉａ ｓｎ ｗｃ ｉ ｏ Ａ ｓｒｃ】 ｙａ ｃ ｅｉ ｎ ｘｅｉ ｔｌ ｎ ｙｉ ｈｖ ｅｎｄｎ ｎａｃｎｃ ａｄ ｉ ｐｅ － ｇ ｍｅ ｌ ｓ ｌ ｈ ｚ ｅｅｔｃｕｔｓｎｃｔ ｎｄｃｒＵ ｉ ｅ ｎｔｅｅ ｅｔｎ ｙｉｍ ｔｏｆｒｈ ｙａ ｉｄｓ ｒｎｄｃｒ ｌ ｒ ｌａｏｉ ｒ ｓｕｅ ｓｎ ｔ ｆ ｉ ｌｍ ｎａａ ｓ ｅｈｄ ｏ ｅｄｎ ｃ ｅｉ ｏ ａｓｕｅ， ｃｉ ｒ ａ ． ｇ ｈｉ ｅ ｌ ｓ ｔ ｍ ｇ ｆｔ ｎ
ｗ ｒ ｅｈ ｄｏ ｅｏ ｔ ｉ ｔ ｎｄｓ ｅｔ ｎｄ ｃ ｒ ｈ ｅｈｄｉ ｂｓｄｏ ｅｎ ｍ ｒ ａ ａ ａ ｓ ａｄａｍ ｔｏ ｎｔ ｐｉ ｚ ｉ ｅｉ ｏ ｔ ｒ ｓｕ ｅ， ｅｍ ｔｏ ａｅ ｎｔ ｕ ｅｉｌ ｎ ｙｉ ｈ ｍ ａｏ ｎ ｇ ｆｈ ａ ｔ ｓ ｈ ｃ ｌ ｓ
５结论
第 ３期
王宏祥 等 ： 圆锥型 压 电换 能器的动 态设 计与 实验研 究
７
其本身 ｌ能的好坏将直接影响到整个装置的工作状态。 生 将数值分
析和实验测试相结 合 ， 对压电换能器 的动态特性进行研究 ， 为压 电换能器 的优化设计提供理论依据 。
２ 圆锥 型夹 心 式压 电换 能器
近似 为零 ， 即为 节 面位 置 。
预
图 １圆锥型夹心式压电换能器结构示意图
图 ５等效位移图
１３ １ －９
。
３换能器 的有限元模态分析
换能器一般利用其一阶纵振模态工作。设计关键是使一 阶 纵振模态的节面（ 向位移为零的横截面 ） 轴 处于压 电陶瓷环组 １ 、
一
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７４１
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