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外部驱动弯张换能器的CAD设计

作　者: 刘永平
导　师: 王智元
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 外部驱动弯张换能器有限元法
分类号: U666.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
下　载: 201次
引　用: 7次
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内容摘要

发射换能器设计的发展主要有三方面的推动力：对水声传播的广泛研究确立了低频应用于长距离探测的优势，新的驱动材料和结构材料的发展使得换能器在性能方面得到提高，计算机技术的应用。自从八十年代早期，低频大功率发射换能器已成为声纳应用的首选目标，其中，弯张换能器是应用得最普遍、最理想的低频、大功率换能器。但由于弯张换能器的最大的缺点是设计比较复杂，阻碍了弯张换能器的发展。近些年随着计算机技术的发展，有限元应用于弯张换能器设计已成为趋势。本文采用有限元软件ANSYS设计了外部驱动的弯张换能器。本文在回顾近些年换能器技术发展状况的基础上，阐述了设计低频、大功率换能器的趋势和问题，并给出了解决方法。推导了使用有限元分析压电体和声学流体的基本理论公式。随后对有限元分析软件ANSYS及其应用于换能器设计进行了简介。在论文的设计部分，对外部驱动的弯张换能器的频率特性、辐射特性及阻抗特性进行了详细的计算，对结构尺寸进行了设计优化。指出了阻抗设计是外部驱动换能器的主要问题。根据优化设计的结果，进行了静态应力分析和动态应力分析，确保了后续装配过程的安全性。通过ANSYS中的后处理功能，提取了所设计的换能器在空气中和水中的电声特性。基于以上工作，我们制作了外部驱动弯张换能器的实验样机，对实验样机的电声特性进行了测量，并与计算结果进行了对比。最后对论文遗留的问题和今后的工作方向给予了总结和归纳。

全文目录

第1章换能器综述  11-31
  1.1 引言  11-12
  1.2 几种发射换能器简介  12-17
  1.3 换能器换能材料的发展  17-22
    1.3.1 压电陶瓷  17-18
    1.3.2 超磁致伸缩材料  18-20
    1.3.3 压电复合材料  20-21
    1.3.4 PVDF(聚偏氟乙烯)  21
    1.3.5 铌镁酸铅(PMN)电致伸缩陶瓷  21-22
  1.4 换能器设计的方法  22-25
    1.4.1 经典的等效电路法  22
    1.4.2 瑞利-里兹方法  22
    1.4.3 边界元法  22-23
    1.4.4 有限元法  23
    1.4.5 有限差分法  23
    1.4.6 有限元与边界元综合分析方法  23-25
  1.5 低频大功率发射换能器的要求和限制  25-29
    1.5.1 发射换能器的频率和尺寸  25-26
    1.5.2 功率要求  26-27
    1.5.3 深水的要求  27-28
    1.5.4 宽频带  28-29
  1.6 论文内容安排  29-31
第2章弯张换能器  31-42
  2.1 弯张换能器的早期发展  31-33
    2.1.1 弯张换能器概述  31-32
    2.1.2 弯张换能器的早期发展  32-33
  2.2 弯张换能器的分类  33-35
    2.2.1 Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型弯张换能器  33-34
    2.2.2 Ⅴ型、Ⅵ型弯张换能器  34
    2.2.3 Ⅳ型、Ⅶ型弯张换能器  34-35
  2.3 弯张换能器的新发展  35-40
    2.3.1 设计方法及驱动材料的新发展  36-37
    2.3.2 弯张换能器结构的改进  37-40
  2.4 本章小结  40-42
第3章有限元理论及应用  42-51
  3.1 有限元简介  42
  3.2 有限单元法分析计算的思路和作法  42-44
  3.3 压电弹性体的有限元分析  44-46
  3.4 声学流体问题的有限元分析  46-50
    3.4.1 声学波动方程的离散化  46-47
    3.4.2 声学流体矩阵  47-48
    3.4.3 由于边界阻尼而产生的声波吸收  48-49
    3.4.4 流体-结构耦合  49-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章 ANSYS软件及应用于换能器设计的方法  51-60
  4.1 ANSYS软件简介  51
  4.2 ANSYS功能简介  51-55
    4.2.1 ANSYS的处理器  52
    4.2.2 ANSYS求解器  52-53
    4.2.3 ANSYS求解类型  53
    4.2.4 换能器设计中常用的分析类型  53-55
  4.3 使用ANSYS设计换能器的一般步骤及方法  55-59
    4.3.1 对换能器的简化和近似处理  55
    4.3.2 建立有限元模型  55-56
    4.3.3 求解  56
    4.3.4 流体分析  56-57
    4.3.5 流体-结构相互作用  57-58
    4.3.6 ANSYS有限元软件用于换能器设计步骤  58-59
  4.4 本章小结  59-60
第5章外部驱动弯张换能器的设计及振动辐射特性分析  60-85
  5.1 外部驱动弯张换能器  60-63
    5.1.1 外部驱动弯张换能器简介  60-62
    5.1.2 本文设计的外部驱动弯张换能器的优点  62-63
  5.2 本文设计规划  63-67
    5.2.1 ANSYS设计简化  63
    5.2.2 换能器各部分材料的选取  63-65
    5.2.3 壳体结构形式的设计  65-66
    5.2.4 过渡块、盖板及螺栓的设计  66-67
    5.2.5 压电陶瓷堆的设计  67
  5.3 外部驱动弯张换能器变化结构尺寸对性能的影响  67-75
    5.3.1 频率特性分析  68-72
    5.3.2 振动辐射特性分析  72-74
    5.3.3 换能器输入阻值分析  74-75
  5.4 外部驱动弯张换能器虚拟样机的分析  75-84
    5.4.1 应力分析  75-77
    5.4.2 模态分析  77-78
    5.4.3 空气中谐响应分析  78-80
    5.4.4 流体分析  80-84
  5.5 本章小结  84-85
第6章外部驱动弯张换能器制作及实验测试分析  85-92
  6.1 测量结果  85-87
  6.2 测量实验的条件  87-88
  6.3 实验结果与ANSYS设计结果的对比分析  88-91
    6.3.1 频率的对比  89
    6.3.2 阻尼系数的选取  89-90
    6.3.3 电导纳分析  90
    6.3.4 发射响应分析  90-91
  6.4 进一步的工作及应注意的问题  91
  6.5 本章小结  91-92
结论  92-94
参考文献  94-98
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  98-99
致谢  99

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