基于弯振模态的螺纹杆式直线超声电机

介绍了基于弯振模态的螺纹杆式直线超声电机的运行机理.在梁弯曲振动模型的基础上,对螺纹杆式直线超声电机进行动力学分析,推导出电机定子驱动点的空间运动轨迹方程,并阐明了电机运行机理.本文应用有限元法分析了电机的振动模态和结构,设计并研制了样机.样机定子的尺寸为13 mm×13 mm×30 mm,最后对电机输出特性进行了测试,最大输出力为5.2 N.     

三自由度超声电机定子的优化设计

研制了一种基于两个弯振模态和一个纵振模态 ,可分别绕 x,y,z轴转动的圆柱 -球体三自由度超声电机。从电机设计的角度讲 ,使电机的定子具有合适的工作模态是至关重要的。在通常情况下 ,人们往往采用试凑的办法来满足其工作模态的要求。但“试凑法”是经验性的 ,不仅耗时多 ,效率低 ,而且有可能得不到满意的结果。为此 ,本文建立了定子的优化设计数学模型 ,在 MATLAB环境下编写了相应的优化设计程序 ,并根据其优化设计结果 ,设计和制造了定子和电机的原型样机 ,其外径为 2 0 mm,长度为 67mm,重量为 1 5 7g。实验结果表明 :电机定子的模态频率和振型满足设计要求 ,并与优化结果相吻合。故本文提出的优化设计方法是可行和有效的 ,并可大大提高设计效率     

一种新型微型杆式超声电机及其驱动原理

提出了一种新型微型杆式超声电机,并对该杆式电机的驱动机理进行了仿真。该电机采用两段金属柱体压紧5片压电陶瓷片作为定子。该定子结构和压电陶瓷片的布局方式可以提高其机电转换效率。为尽量减小定、转子之间的径向滑移以提高摩擦传动效率,电机采用了柔性转子,对原理样机及其微型驱动器进行了性能实验。电机的外径为9mm,长度为15mm,重3.2g。当电机工作在杆式定子的一阶弯曲频率(72kHz)附近时,电机实测最大转速为520r/min,最大输出力矩为4.5mN·m。实验结果表明,该电机具有良好的稳定性,利用频率自动跟踪技术对电机转速进行闭环控制,可以将其转速波动稳定在3%之内。     

圆柱型超声电机驱动质点的运动分析与接触结构设计

针对目前圆柱型超声电机定、转子间相对滑动较大,导致电机效率低下等问题,推导了定子端面驱动质点的运动轨迹方程,并利用MATLAB软件对驱动质点的运动轨迹进行仿真分析;采用有限元法对本研究提出的柔性接触结构进行接触变形分析;对定子进行模态和谐响应分析。结果表明：定子端面驱动质点的运动轨迹为一椭圆,椭圆面与定子端面呈一定夹角;本研究提出的柔性接触结构能有效减少定、转子间的相对滑动。     

模态转换型超声电机中的椭圆运动

讨论了模态转换型超声电机表面质点椭圆运动的形成,研究了基于定、转子耦合和利用独立耦合器的模态转换型超声电机的原理。通过对具有斜槽的纵扭振动耦合器上观察到的表面质点椭圆运动进行的理论分析,提出了一种利用主结构中的子结构的局部振动获得模态转换的方法,可用于模态转换型超声电机的设计。     

单振子激励的面内行波旋转超声电机原理

提出了一个单振子激励的面内行波旋转超声电机原理.该电机具有一个连接一个杆形振子的圆环形定子和两个锥形转子,锥形转子由预压力机构压在定子圆环的内边缘.杆形振子为夹心式结构,两组压电陶瓷固定在其中.一组用于激励杆的纵向振动;另一组用于激励杆的弯曲振动.有限元仿真表明: 在杆的纵向振动和弯曲振动共同作用下,定子环上形成了面内行波.利用这个原理制作的样机具有如下性能:空载转速36 r/min,堵转力矩0.25 N·m,起动时间2.53 ms,关断时间3.48 ms.该型电机的定子利用了一个振子激发定子环面内行波,结构简单、紧凑,可望用于机器人关节和一些姿态调整机构的驱动.     

基于直线型超声电机的两自由度精密定位平台

搭建了一种新型两自由度精密定位平台,主要由直线型超声电机、直线导轨、工作台三部分组成。采用了直线型超声电机,利用非统一截面杆在正交方向上的两个四阶弯振模态作为工作模态,其最高速度为190mm／s,最大推力为19N。该平台具有响应速度快,无后冲,高精度,断电自锁和工作行程大的特点。在位置检测装置具有1μm分辨率的情况下,其闭环最高定位精度小于2μm,且开环分辨率可达到1μm。     

超声电机的激励方法及应用研究

对超声电机激励方法开展研究,有利于电机结构的优化与性能的提升。研究得出,增大压电陶瓷的厚度,或减小压电陶瓷的激励面积,可以获取更大的机电耦合效率。动态电阻和动态电容变小可以降低电机内部的机械损耗,提高机械品质因子。将接触刚度、介电损耗和机电耦合系数均考虑在内进行计算,设计出性能更佳的超声电机。通过应用分析可知,改善定子振动模态和结构尺寸,能够提高定子有效机电耦合系数,有利于降低电机的电源功耗,提高电机效率。     

圆柱-球体三自由度超声电机及其控制

研制了一种一阶纵振和二阶弯振模态组合的圆柱-球体三自由度超声电机。研究了其中两个自由度的运动轨迹跟踪控制策略,并将其应用于电机样机的控制。其中,运转速度的控制采用激励电压幅值调节法,针对位置控制提出了两种运动轨迹控制策略一种是逐点比较控制,另一种是矢量分解控制。本文提出了调节激励电压幅值的3种脉冲宽度调制(PWM)方法,对这些方法作了比较,并通过一系列实验得到验证。结果表明当改变激励电压幅值时,保持3个振动模态的相位差不变和激励电压信号不失真,是简化控制过程、提高控制性能的关键;矢量控制法效果较好,并有轨迹跟踪误差小、运动平稳和噪声小等优点。     

一种基于纵弯模态复合的新型两自由度直线超声电机的研究

提出了一种基于两个弯曲振动模态与一个纵向振动模态复合的新型两自由度直线超声电机。介绍了这种电机的结构特点。阐述了电机实现两个自由度直线运动的原理，并从理论上证明了电机驱动点的运动轨迹为椭圆运动。在此基础上，利用有限元方法设计了电机，并制造了原理性样机。利用PSV-300F多普勒激光测振仪对电机的工作模态进行了测试，实验结果表明，电机的工作振型和工作频率等均满足设计要求。电机的试运行表明了其工作原理和设计结果的正确性，并给出了电机的输出性能。最后指出了该样机存在的问题和改进措施。     

琵琶共鸣面板的振动模态分析

为研究琵琶共鸣面板的声学振动性能，采用快速傅里叶变换频谱分析仪测定了共鸣面板在0～1 000 Hz频率范围内的各阶振动频率，并分析了各阶振动频率对应的振动模态。结果表明:共鸣面板的振动可以分成顺纹理方向弯曲振动、横纹理方向弯曲振动、顺纹理与横纹理方向弯曲振动叠加而成的扭转振动3种，但扭转振动的振型并不是简单地由2个方向的弯曲振动叠加而成；各阶振动振型基本呈y轴（顺纹理方向）对称，但并不完全呈x轴（横纹理方向）对称，这主要是由琵琶共鸣面板的仿梨形结构决定的；对于（0,n）、（1,n）、（2,n）、（3,n）的各阶频率，当n值由0逐步增大时，共振频率的变化具有相似的增长趋势。      

3种边界条件下足尺定向刨花板的模态灵敏度和振动模态研究

  目的  研究完全自由、四节点支承和两对边简支3种边界条件下足尺定向刨花板的模态灵敏度和振动模态,为开展3种边界条件下足尺定向刨花板弹性常数振动检测结果的对比研究奠定基础。  方法  以4种厚度的足尺定向刨花板为研究对象,采用有限元软件COMSOL Multiphysics对完全自由、四节点支承和两对边简支的足尺定向刨花板进行了模态灵敏度分析,分别确定这3种边界条件下对其长度和宽度方向的弹性模量与面内剪切模量这3个弹性常数灵敏度最高的模态;通过试验模态分析测得足尺定向刨花板在这3种边界条件下的前9阶振动模态参数,并对比和分析其在这3种边界条件下的振动模态参数检测结果。  结果  计算和试验模态分析得到的这3种边界条件下足尺定向刨花板的前9阶模态振型形状和阶次分别是相同的;足尺定向刨花板在这3种边界条件下的前9阶模态中,除模态（m, 0）、（0, 2）和（1, 1）外,其余模态均为单一方向的弯曲和扭转或不同方向弯曲的叠加模态;用于计算足尺定向刨花板长度和宽度方向的弹性模量与面内剪切模量的最高灵敏度模态,在完全自由下为模态（2, 0）、（0, 2）和（1, 1）,对应阶次分别为第2、4和1阶;在四节点支承下为模态（2, 0）、（0, 2）和（2, 1）,对应阶次分别为第1、4和3阶;在两对边简支下为模态（2, 0）、（2, 2）和（2, 1）,对应阶次分别为第1、5和2阶。  结论  从振型角度说明基于计算模态分析方法和试验模态分析方法分别进行3种边界条件下足尺定向刨花板的模态灵敏度分析和振动模态测试具有可行性。      

Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays

We have converted nanoscale mechanical energy into electrical energy by means of piezoelectric zinc oxide nanowire (NW) arrays. The aligned NWs are deflected with a conductive atomic force microscope tip in contact mode. The coupling of piezoelectric and semiconducting properties in zinc oxide creates a strain field and charge separation across the NW as a result of its bending. The rectifying characteristic of the Schottky barrier formed between the metal tip and the NW leads to electrical current generation. The efficiency of the NW-based piezoelectric power generator is estimated to be 17 to 30%. This approach has the potential of converting mechanical, vibrational, and/or hydraulic energy into electricity for powering nanodevices.     

环境激励条件建筑结构的试验建模研究

通过环境激励模态识别技术对一座中高层新结构大楼环境激励试验建模研究。首先介绍了试验模型设计 ,并在现场测量整栋大楼在环境激励下的振动响应。然后采用新发展的频率空间域方法 ( FSDD)进行模态识别 ,分别在 0～ 4.5 Hz和 0～ 6.5 Hz频率范围识别出 9阶弯曲和扭转模态频率和振型。采用频率空间域方法识别了结构的阻尼特性 ,并得到满意的结果。所得试验模型已成功应用于 CFT大楼的有限元动态模型修正。所研发的试验建模技术可望在结构响应预报 ,健康监测和振动控制中发挥重要作用     

纤维饱和点以上含水率木材纵向振动特性

推导出了非均质材料的共振频率理论解析式，理论分析并用实验验证了木材长度方向的自由水梯度对纵向振动共振频率产生的影响，得出了影响程度由大到小依次为1次振动模式，2次振动模式和3次振动模式的结果。另外，原木在堆放6-7个月后，尽管平均含水率在90%-100%，但纵向振动弹性模量测定值与生材时相比增加了10%左右，其原因就是受长度方向的自由水梯度的影响。     

阮、月琴共鸣面板的振动特性

采用快速傅立叶变换频谱分析仪测定了阮、月琴共鸣面板在0～1 000 Hz频率范围内的各阶振动频率、声振动传播速度及声辐射强度,并分析了各阶振动频率对应的振动模态.对于阮,较易测得50、135、236.25、307.5、345、435、642.5、737.5 Hz等阶共振频率;对于月琴,较易测得56.25、111.25、...     

钢筋锈蚀对混凝土梁破坏模式影响的试验研究

研究钢筋锈蚀对混凝土梁破坏模式的影响.对4组共21根不同剪跨比、不同锈蚀程度的混凝土梁进行了试验，研究发现，纵向配筋率及剪跨比相同的情况下，随着纵筋、箍筋锈蚀程度的变化，梁会产生弯曲、剪压、剪切-粘结3种不同形态的破坏.针对此现象，基于试验研究结果并结合相关文献的试验结果，根据现行规范中的分析理念建立了考虑剪跨比、箍筋锈蚀率、纵筋锈蚀率及粘结退化等因素影响的锈蚀混凝土梁受剪承载力计算公式.据此再考虑弯剪区的平衡条件，分析讨论得出了试验梁产生破坏形态转变的临界条件和锈蚀混凝土梁构件的综合承载能力的变化规律，从而建立了锈蚀混凝土梁破坏模式转变的分析模型.据此模型分别以纵筋锈蚀率和箍筋锈蚀率为横、纵轴，考虑剪跨比等因素得出临界曲线划分的破坏形态区域与试验结果吻合较好.