圓環(huán)形壓電振子的理論與實驗研究

王笑竹 張健

摘?要：運用ANSYS軟件對圓環(huán)形壓電振子進行模態(tài)分析，分析了圓環(huán)外徑、內(nèi)徑及內(nèi)外徑差對彎曲模態(tài)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)內(nèi)外徑數(shù)值比為0.8時，圓環(huán)形壓電振子具有理想的振型。對圓環(huán)形振子進行了實驗測試，實驗結(jié)果與模態(tài)分析結(jié)構(gòu)大致相同。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析;圓環(huán)形;內(nèi)外徑;實驗測試

中圖分類號：TB535

Theoretical?and?experimental?studies?on?circular?piezoelectric?vibrators

Wang?Xiaozhu?Zhang?jian*

Yingkou?Institute?of?Technology?LiaoNingYingkou?115014

Abstract：Using?ANSYS?software?to?conduct?modal?analysis?of?circular?piezoelectric?vibrator，analyzes?the?circle?diameter，inner?diameter?and?inner?diameter?difference?of?the?influence?of?the?bending?mode.The?results?show?that，when?the?ratio?of?inner?to?outer?diameter?is?0.8，the?circular?piezoelectric?vibrator?has?an?ideal?mode?shape.The?circular?ring?oscillator?has?been?tested?experimentally，the?experimental?results?are?in?good?agreement?with?the?modal?analysis?structure.

Keywords：Modal?analysis;Circular?ring;Inside?and?outside?diameter;Experimental?test

壓電振子是超聲電機、超聲輸送等壓電驅(qū)動系統(tǒng)的核心元件[1，2]，其中壓電振子的動態(tài)設(shè)計、精密加工以及后續(xù)的調(diào)試工作[3，4]，決定了超聲電機、超聲輸送等驅(qū)動系統(tǒng)的運行質(zhì)量。本文針對軸向長齒環(huán)形振子的內(nèi)外徑設(shè)計以及振子面外彎曲振型的均勻一致性問題，進行數(shù)值模擬，給出二者的關(guān)聯(lián)性分析。

1?振子結(jié)構(gòu)

將振子結(jié)構(gòu)設(shè)計成圓環(huán)形狀，為在ANSYS中研究該振子，在軟件中建立該模型，如圖1所示。在圓環(huán)振子端面上設(shè)計有凸起的梳狀齒，其目的是當(dāng)振子振動時增大振子在Y方向的振幅。本文研究的振子經(jīng)前期分析計算其材料已經(jīng)選擇為黃銅，陶瓷片的材料為PZT81系列晶片。圓環(huán)形振子的外徑小于等于100毫米，齒數(shù)為90，齒寬為3.49°，槽寬0.51°，振子厚為3毫米，凸齒厚為3毫米，圓環(huán)形振子結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)列于表1中，根據(jù)前期工作，本文選擇工作模態(tài)為彎曲振動11階模態(tài)。

為在ANSYS中對該振子進行模態(tài)分析研究振子11階彎曲模態(tài)，首先建立改模型，對模型施加約束并進行網(wǎng)格劃分，圓環(huán)振子在X、Y方向固定，Z方向自由，模態(tài)分析結(jié)果如圖2所示，現(xiàn)在需要調(diào)整外徑內(nèi)徑尺寸，找出圓環(huán)形振子在11階彎曲模態(tài)情況下兩個頻率差為零的兩個模態(tài)，內(nèi)外徑尺寸差越大，作為輸送振子時輸送面積就越大，但數(shù)值越大就會影響其變形，半徑差小，輸送面積小，不利于傳送物料。

2?圓環(huán)形振子直徑尺寸對彎曲模態(tài)的影響

依據(jù)前期研究對圓環(huán)形振子的研究大部分集中在振子厚度、凸齒厚度、凸齒個數(shù)等參數(shù)的研究。本文主要研究振子外徑、內(nèi)徑、內(nèi)外徑數(shù)值差對圓環(huán)形振子模態(tài)的影響，分析模態(tài)一致性的問題。

為了分析外徑、內(nèi)徑、內(nèi)外徑數(shù)值差對圓環(huán)形振子模態(tài)的影響，將圓環(huán)形振子結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)不改變，分析振子在彎曲模態(tài)11階下當(dāng)內(nèi)徑尺寸為80mm，外徑尺寸分別為100mm、90mm，以及當(dāng)外徑尺寸為100mm，內(nèi)徑尺寸分別為90mm、85mm時，圓環(huán)形振子模態(tài)的變化。進行模態(tài)分析時主要考察兩方面內(nèi)容，一是變形是否有突變，二是振子凸齒在Z方向的振幅。

圖3（a）～（h）給出了在11階彎曲模態(tài)下直徑尺寸不同時圓環(huán)形振子的振幅位移圖。從圖中可以看出當(dāng)外徑尺寸為100mm、內(nèi)徑尺寸為80mm時，振子的模態(tài)最好，此時振子的波峰和波谷位移變化一致，且振幅最大，此時內(nèi)外徑尺寸比為0.8。而其余尺寸條件下，振子的模態(tài)及振幅不好，不符合設(shè)計要求。

針對內(nèi)外徑尺寸比為0.8的數(shù)值，在ANSYS軟件內(nèi)又模擬了尺寸為200mm、內(nèi)徑尺寸為160mm的振子，模態(tài)結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出模態(tài)結(jié)果良好。

3?實驗研究

為驗證圓環(huán)形振子振幅分布曲線圖，加工了與表1結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的實物，如圖5所示。在振子齒上進行數(shù)值采集，實驗結(jié)果顯示振子實際振幅曲線圖（圖6）與有限元模態(tài)分析結(jié)果大致相同。

4?結(jié)論

（1）圓環(huán)形振子的內(nèi)徑、外徑及內(nèi)外徑差對彎曲模態(tài)的頻率影響較大;（2）當(dāng)內(nèi)外徑尺寸比為0.8時，圓環(huán)振子的彎曲模態(tài)復(fù)合要求且振幅最大，為以后設(shè)計該類圓環(huán)形振子提供了設(shè)計依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙淳生.超聲電機技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]胡敏強，金龍，顧菊平.超聲波電機原理與設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]王笑竹，張健.大型環(huán)狀壓電振子的理論與實驗研究[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)），2015，29（4）：8387.

[4]李靜.旋轉(zhuǎn)型駐波超聲電機的理論與實驗研究[D].遼寧：遼寧工業(yè)大學(xué)，2008.

基金項目：2020年度遼寧省自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新聯(lián)合基金（2020YKLH28）;遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計劃（2018?0550960）;遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費項目（L2019014）;營口市企業(yè)博士雙創(chuàng)計劃項目（QB201907）

作者簡介：王笑竹（1982—?），女，遼寧營口人，副教授，研究方向：從事超聲電機與機械設(shè)計方向的研究。

*通訊作者：張?。?981—?），男，遼寧營口人，副教授，研究方向：電力電子與電力傳動，從事電力電子與電力傳動、電機控制等方向的研究。