超聲噴丸換能器振動特性仿真分析

□ 劉先英 □ 趙 聰 □ 蘆小龍 □ 何雪婷

1.上海飛機制造有限公司 上海 2004362.南京航空航天大學 航空學院 南京 210016

1 分析背景

超聲噴丸成形是近年來興起的一種冷加工成形工藝[1-2],通過撞針或彈丸撞擊金屬板材的表面,使金屬板材表面及其下層金屬產生塑性變形并延伸,使金屬板材逐步向受噴表面的方向凸起彎曲變形,逐步達到所需外形[3-4]。

超聲噴丸成形工藝操作簡便靈活,具有廣闊的應用前景,特別適用于航空工業飛行器壁板類零件的成形與校形[5]。國外對于超聲噴丸成形工藝已經進行了大量研究,國內相關研究與應用起步則較晚。相關調查研究結果顯示[6-8],當前真正投入使用的超聲噴丸成形設備只有SONATS公司研制的便攜式超聲噴丸設備。由于技術壟斷,這一設備在國內的售價高達一百多萬元人民幣。由此可見,有必要研發一套國產超聲噴丸成形設備。

筆者針對超聲噴丸成形設備在大型壁板類零件成形與校形方面的應用需求,設計了核心部件超聲噴丸換能器,并應用COMSOL多物理場仿真軟件對超聲噴丸換能器的振動特性進行仿真分析,為超聲噴丸成形設備的后續設計提供參考。

2 主體結構

超聲噴丸換能器的主體結構由兩部分組成,包括傳統蘭杰文振子和變幅桿。蘭杰文振子結構如圖1所示。由四片壓電陶瓷夾在前后蓋板之間,壓電陶瓷的逆壓電效應在表面產生皮米級微振幅。變幅桿將壓電陶瓷表面的微振幅放大,在變幅桿端面輸出微米級振幅,推動撞針對外做功。

變幅桿是超聲噴丸換能器中的重要零件,能夠將微振幅放大到滿足工作要求的量級。常見的變幅桿有三種型式:指數型、階梯型、圓錐型[9]。對于應用于超聲噴丸換能器的變幅桿,要求端面有足夠大的表面積,用于安裝數量足夠多的撞針陣列。由此,選用階梯型變幅桿,并將截面形狀設計為正方形。變幅桿結構如圖2所示。

超聲噴丸換能器結構如圖3所示,變幅桿與前蓋板通過螺紋連接,前后蓋板之間夾有壓電陶瓷與銅電極片,壓電陶瓷與銅電極片交錯設置,通過螺栓預緊。

3 建模

為驗證超聲噴丸換能器是否能夠滿足工作要求,應用SolidWorks三維建模軟件進行超聲噴丸換能器建模,導入COMSOL多物理場仿真軟件進行仿真分析,以研究其振動特性。為了減少計算,并且保證計算結果相對準確,對超聲噴丸換能器三維模型進行適當簡化,省略對仿真結果影響不大但對后續網格劃分影響很大的結構,如電極片接線耳等。

不同的材料會對仿真結果造成不同的影響,選擇適當的材料對超聲噴丸換能器振動特性進行仿真分析至關重要。超聲噴丸換能器中,變幅桿、前蓋板、螺栓材料為無氧鈦,后蓋板為AISI 4340高強度合金鋼,壓電陶瓷型號為PZT-8。

超聲噴丸換能器的工作頻率為20 kHz,電壓可以根據所需表面最大振幅進行調整,不高于1 000 V即可。仿真分析所使用的電壓為400 V。在蘭杰文振子中,上下及中間三個銅電極片接地,其它兩個銅電極片接400 V高頻交變電壓。為了使能量傳輸方向向變幅桿一側集中,獲得最大表面振幅,四片極化方向不同的壓電陶瓷交替排列,兩片的極化方向為Z向,兩片的極化方向為-Z向。根據以上情況設置仿真邊界條件,如圖4所示。

網格劃分是仿真分析中的一個重要步驟,網格劃分良好不僅可以得到較為準確的計算結果,而且可以減少計算,節省計算資源和時間[10]。針對超聲噴丸換能器,采用正四面體網格,壓電陶瓷和銅電極處結構尺寸與其它部位相比較小,為了計算結果更為精準,適當加密網格。COMSOL軟件網格劃分如圖5所示。

4 振動特性

4.1 特征頻率與表面最大振幅

對于超聲噴丸換能器,重點關注其特征頻率及其在共振條件下的表面最大振幅。特征頻率應靠近20 kHz,表面最大振幅一般出現在變幅桿端面中心點,按照要求,應達到24 μm以上。實際情況是,COMSOL軟件得到的表面位移并不接近于真實解,有時甚至與真實解相差較大。為了得到表面振幅的真實解,理論上應該通過試驗來確定。

本次仿真分析為前期驗證性計算,以400 V電壓工作情況為例,研究各部位尺寸變化時表面最大振幅變化趨勢,并以此為依據,尋找結果較好的一組尺寸。關于仿真結果表面最大振幅是否能夠達到24 μm以上,并不特別關注。實際仿真結果是,當電壓為400 V時,表面最大振幅可以達到10 μm左右,將電壓增大到1 000 V,表面最大振幅超過24 μm。

特征頻率和表面最大振幅隨不同部位尺寸的變化趨勢如圖6所示。由圖6可以看出,特征頻率與前蓋板長、后蓋板長、變幅桿后段長度、變幅桿中段長度都呈負相關,各部位尺寸對表面最大振幅的影響相對較小,存在一個使表面振幅達到最大的尺寸,可以以此為參考,綜合分析,選擇兼顧特征頻率與表面最大振幅的一組尺寸。

根據圖6,筆者選擇表1所示超聲噴丸換能器各部位尺寸,進行仿真分析。除表1所示尺寸外,前蓋板、后蓋板、壓電陶瓷、銅電極片直徑均為40 mm,壓電陶瓷、銅電極片內徑為16 mm,壓電陶瓷厚度為5 mm,銅電極片厚度為0.6 mm,二者內徑均為16 mm。前后蓋板中心開直徑為10 mm的螺紋孔,用于螺栓預緊,螺栓長度為68 mm。

表1 超聲噴丸換能器各部位尺寸 mm

4.2 位移場

按照所建立的超聲噴丸換能器三維模型和設置的邊界條件,在COMSOL軟件中進行超聲噴丸換能器頻域計算,得到位移場分布,如圖7所示。

電壓為400 V時,超聲噴丸換能器表面最大振幅達到9.68 μm。變幅桿端面的位移最大,能量較為集中傳遞至端部,這與預期的結果基本吻合。與此同時,變幅桿表面振幅的一致性較好。

為了更加直觀地反映壓電陶瓷和變幅桿端面位移分布情況,便于后續設計中確定夾持位置,提取圖7中截線1～截線4處數據,截線處位移情況如圖8所示。

由圖8(a)可知,變幅桿端面最大振幅位于接近端面幾何中心點,端面最大位移與最小位移之差在0.5μm左右。由圖8(b)可以確認能量從壓電陶瓷中央向兩端擴散的趨勢。

5 結束語

筆者針對超聲噴丸成形工藝需求,設計了一種超聲噴丸換能器,利用COMSOL多物理場仿真軟件對超聲噴丸換能器的主體結構進行特征頻率分析、頻域分析,得到其振動特性,這些工作為超聲噴丸成形設備的后續設計及研發工作提供了支持。需要注意的是,仿真分析結果,特別是表面振幅結果,僅能定性說明振幅分布趨勢,在未得到試驗修正的前提下,有時甚至和真實情況差別較大。因此,后續應當加工出實物進行試驗驗證,對仿真分析結果進行修正,以提高理論預測的可靠性。