弯曲振动阶梯圆盘的有限元分析与设计.pdfVIP

学兔兔 弯曲振动阶梯圆盘的有限元分析与设计★ 口 樊安仓 口 贺西平 陕西师范大学应用声学研究所 西安 710062 摘 要：对弯曲振动阶梯圆盘一般的设计方法进行了分析，指出其中的一些缺陷，并用有限元软件ANSYS对一个平 板圆盘和一个阶梯圆盘进行模拟，将振型分布作了对比，指出了设计的理论缺陷。提出用有限元软件ANSYS设计阶梯圆 盘的新思路，对于实现大功率超声在空气中的应用有一定的帮助。 关键词：弯曲振动 阶梯圆盘 节线 ANSYS 中图分类号：0241．82 文献标识码：A 文章编号：1000—4998(2009)05—0021—03 随着超声技术的发展，功率超声在工业生产领域 先计算同规格的平板圆盘的节圆线，特别是多阶梯圆 的应用越来越广泛。由于传统的气介式大功率超声换 盘辐射器的计算就更加复杂，传统的设计方法采取了 能器的声阻抗与气体的声阻抗相差甚远，因而存在严 大量的假设与近似，这种设计方法的效率低下而且误 重的阻抗失配问题…，功率超声在空气中的应用一直 差较大，需要寻找一种更为有效的设计方法。 受到限制。由纵向夹心式换能器与弯曲振动圆盘辐射 2 有限元软件ANSYS模拟 器组成的复合式换能器，由于结合了纵向换能器的高 效大功率以及弯曲振动圆盘辐射板的低辐射阻抗和大 有限元法是利用计算机进行的一种数值近似计算 辐射面积等特点，在大功率气介超声领域中获得了广 分析方法，它是通过对连续问题进行有限数目的单元 泛的应用。圆盘辐射器虽然改变了功率超声在空气中 离散来近似的，是对复杂结构和复杂问题的一种强有 不易匹配的问题，但是由于弯曲振动圆盘的辐射面积 力的分析工具。ANSYS软件是一个集结构、热、流体、 比较大，而且激励的振动阶数比较高，因此存在弯曲振 电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件 ，该软 动的反相区，导致换能器的辐射阻抗下降，电声效率和 件很好地实现了前、后处理，分析求解及多场耦合分析， 声功率降低以及指向性变差等问题。上世纪60、70年 统一数据库功能 l。 代 ，西班牙学者 Gallego等人 采用弯曲振动阶梯圆 2．1 模拟 圆盘 盘，通过阶梯高度补偿相位的办法来消除这种不足，取 用计算机编程的方法给出了自由边界弯曲振动圆 得了一定的成效。国内文献 对阶梯圆盘辐射器也 盘的6种振动模式波节圆半径[9】，见表1。经实验验证， 做 了深入的研究。 其计算值与实验值比较接近。 本文对阶梯圆盘辐射器的设计理论进行了探讨， 表l 自由边界圆盘波节圆半径的值 指出传统设计方法的不足，并用有限元软件模拟的方 模式n 波节圆半径／mm 法加以分析，提出了设计阶梯圆盘辐射器的新思路 ，提 n=l 102．027 高了设计效率，对功率超声在空气中的应用有一定的 n=2 58．672 4 l26．255 帮助。 n=3 38．505 0 88．68l 7 134．022 ，l=4 28．8O9 7 66．121 0 103．86l l37．936 1 阶梯圆盘的传统设计方法 ’ n=5 23．O18 O 52．836 l 82．823 4 ll3．013 l4o．305