[發(fā)明專利]一種基于分段諧振設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置及其設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用

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• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號(hào): CN112858010A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁文鋒;吳幫福;徐九華;曹洋;傅玉燦;蘇宏華;陳燕;楊長勇;趙正彩;張全利;殷景飛
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/08
• 分類號(hào): G01N3/08;G01N3/04;G01N3/02
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 曹翠珍

1.一種基于分段諧振設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括上固定夾頭、上拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)、超聲諧振結(jié)構(gòu)、下拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)和下固定夾頭；

超聲諧振結(jié)構(gòu)主要包括壓電陶瓷換能器、兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的變幅桿和拉伸試樣，其空間結(jié)構(gòu)排列順序?yàn)閴弘娞沾蓳Q能器-變幅桿-拉伸試樣-變幅桿；拉伸試樣的兩端分別通過螺紋與兩個(gè)變幅桿的小端連接，兩個(gè)變幅桿的圓錐形部分分別固定于上、下拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)，與上拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)的底板固定的變幅桿連接至壓電陶瓷換能器；

上、下固定夾頭分別固定于上、下拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)的兩端部。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分段諧振設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置，其特征在于，上、下拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)均由頂板、拉桿和底板組成，頂板與底板借助4根拉桿連接四個(gè)角而固定，上拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)的底板、下拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)的頂板中央均設(shè)有帶凹臺(tái)的通孔用于固定變幅桿。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于分段諧振設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置，其特征在于，變幅桿為大端接圓柱的復(fù)合圓錐形變幅桿，兩端設(shè)有螺紋孔，中部設(shè)有法蘭，法蘭圓周均布用于固定在頂板凹臺(tái)的通孔，其諧振頻率與壓電陶瓷換能器的諧振頻率一致。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于分段諧振設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置，其特征在于，拉伸試樣為啞鈴形，兩端直徑相同且大于中部，兩端有螺紋，其標(biāo)距段的尺寸符合國家標(biāo)準(zhǔn)，整體尺寸滿足半波長諧振條件，諧振頻率與壓電陶瓷換能器的諧振頻率一致；拉伸試樣兩端螺紋分別連接兩個(gè)變幅桿的小端。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于分段諧振設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述頂板、底板尺寸相同，中心點(diǎn)位于同一軸線；用于固定上拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)的拉桿長度大于用于固定下拉伸固定支撐結(jié)構(gòu)的拉桿長度；該拉桿為中間粗、兩端細(xì)的階梯桿結(jié)構(gòu)，中間為光桿，光桿上靠近一端的位置有對稱分布的平面；拉桿兩端設(shè)有螺紋，通過螺紋、螺母分別固定在頂板與底板。

6.權(quán)利要求1所述的一種基于分段諧振設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)確定諧振頻率

根據(jù)壓電陶瓷換能器的激勵(lì)頻率范圍確定超聲諧振結(jié)構(gòu)的整體諧振頻率。

(2)計(jì)算拉伸試樣尺寸

啞鈴形拉伸試樣為對稱結(jié)構(gòu)，可以按其一半結(jié)構(gòu)尺寸，即按照中間具有圓弧過渡的階梯形結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在縱向波動(dòng)方程(式1)的基礎(chǔ)上，以階梯形結(jié)構(gòu)小端的位移為零，應(yīng)力最大，大端的位移最大，應(yīng)力為零為邊界條件，推導(dǎo)出具有一半拉伸試樣尺寸的頻率方程(式2)；

均質(zhì)桿的縱向波動(dòng)方程為：

式中：A為桿的橫截面積函數(shù)，ρ是桿的密度，u為質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù)，σ為應(yīng)力函數(shù)；

啞鈴形拉伸試樣為對稱結(jié)構(gòu)，按其一半結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)計(jì)算，圖10是啞鈴形拉伸試樣的尺寸圖，邊界條件滿足：

式中，a為超聲振福，σ_max為最大應(yīng)力；

拉伸試樣的諧振頻率方程為：

式中：k是圓波數(shù)，b和β是與試樣輪廓有關(guān)的參數(shù)，具體可參考碩士學(xué)位論文《超聲振動(dòng)拉伸高體分SiCp/Al復(fù)合材料力學(xué)特性研究》；

圓弧過渡段的半徑r₁和長度x₂和滿足：

頻率參數(shù)按照步驟(1)中的諧振頻率，小端的外徑和長度、大端的外徑均按國標(biāo)要求選擇，通過頻率方程式2計(jì)算出大端的長度，通過式3和式4計(jì)算出過渡段的半徑和長度，進(jìn)而得到啞鈴形拉伸試樣的整體尺寸；

(3)計(jì)算變幅桿尺寸

由式1的縱向波動(dòng)方程推導(dǎo)出半波長諧振、大端接圓柱的復(fù)合圓錐形變幅桿的頻率方程如下：

式中，L₁是圓柱段的長度，L₂是圓錐段的長度，N＝D/d，D是大端的外徑，d是小端的外徑；

根據(jù)壓電陶瓷換能器輸出端的直徑和拉伸試樣的大端外徑分別確定大端接圓柱的復(fù)合圓錐形變幅桿的大端直徑和小端直徑，通過式5進(jìn)而計(jì)算出圓柱段長度和圓錐段長度，再利用ANSYS軟件中模態(tài)分析確定振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置和法蘭的尺寸；

(4)變幅桿-拉伸試樣-變幅桿裝配體的仿真分析與修正

依據(jù)步驟(2)和(3)的設(shè)計(jì)尺寸，分別建立大端接圓柱的復(fù)合圓錐形變幅桿和拉伸試樣的三維模型，將其按照變幅桿-拉伸試樣-變幅桿的順序裝配，并將其裝配體導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，獲取仿真諧振頻率，計(jì)算仿真諧振頻率與步驟(1)諧振頻率的誤差，使誤差小于3％；若誤差較大，可用ANSYS仿真軟件對裝配體中變幅桿的長度進(jìn)行修正，從而滿足誤差要求。

7.權(quán)利要求1所述的一種基于分段諧振設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置的應(yīng)用方法，其特征在于，該裝置與電子萬能試驗(yàn)機(jī)配合完成超聲拉伸試驗(yàn)，使用前將上、下固定夾頭與電子萬能試驗(yàn)機(jī)的上、下橫梁分別連接，將超聲電源與換能器連接；開啟電子萬能試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)拉伸試樣的變形進(jìn)入塑性階段時(shí)，再開啟超聲電源，調(diào)節(jié)電源的輸出頻率與諧振頻率一致，通過調(diào)節(jié)電源輸出功率，控制振幅的大小，施加完畢后，關(guān)閉超聲電源，當(dāng)試樣拉伸斷裂之后，再關(guān)閉電子萬能試驗(yàn)機(jī)從而完成超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)，獲取應(yīng)力應(yīng)變曲線。