近場(chǎng)超聲懸浮和驅(qū)動(dòng)的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、基于近場(chǎng)超聲懸浮和驅(qū)動(dòng)的機(jī)理制作的作動(dòng)器具有懸浮力大、不需潤(rùn)滑、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、避免摩擦磨損、對(duì)環(huán)境要求低、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，這使得此類作動(dòng)器在近年得到廣泛的關(guān)注。由于初期的研究工作主要著重于作動(dòng)器樣機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，其動(dòng)力學(xué)方程的建立與描述存在許多近似與不足。本課題以探索近場(chǎng)超聲懸浮和驅(qū)動(dòng)的理論和實(shí)驗(yàn)為目標(biāo)，開展對(duì)非接觸式作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)理、優(yōu)化分析、有限元仿真、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)等方面的研究。通過理論推導(dǎo)，探究近場(chǎng)超聲懸浮和驅(qū)動(dòng)中各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，以

2、及實(shí)現(xiàn)非接觸作動(dòng)器轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和高速旋轉(zhuǎn)的途徑和方法。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1)介紹超聲懸浮技術(shù)分類和區(qū)別，論述了近場(chǎng)懸浮相比駐波懸浮的優(yōu)勢(shì)，扼要介紹了國內(nèi)外基于近場(chǎng)超聲懸浮和驅(qū)動(dòng)機(jī)理的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)研究的現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)階段超聲懸浮和驅(qū)動(dòng)亟待解決的問題。
　　2)分析了基于近場(chǎng)懸浮的耦合頻率特性，提出了在一定擠壓膜厚度影響下擠壓膜與激勵(lì)源之間的耦合控制系統(tǒng)，并通過攝動(dòng)法求解出擠壓膜中壓力的解析表達(dá)式。針對(duì)傳統(tǒng)非協(xié)

3、調(diào)有限元法在求解圓形振動(dòng)板中誤差較大的缺點(diǎn)，利用一種對(duì)模型形狀不敏感的改進(jìn)型非常規(guī)板元(TRUNC元)對(duì)壓力表達(dá)式以及系統(tǒng)的共振頻率進(jìn)行數(shù)值求解，從理論上獲得了懸浮器件的固有頻率隨負(fù)載變化的敏感度。
　　3)分析了近場(chǎng)超聲懸浮中懸浮物的瞬態(tài)特性，提出了在一定的激勵(lì)條件下懸浮物與擠壓膜之間的耦合控制系統(tǒng)。由于此系統(tǒng)為典型的流固耦合系統(tǒng)，且激勵(lì)源為動(dòng)邊界，因此系統(tǒng)的數(shù)學(xué)控制方程組采用任意拉格朗日——?dú)W拉法(ALE)描述。為了解決數(shù)值振

4、蕩以及流固耦合中強(qiáng)非線性問題，對(duì)方程采用流線型迎風(fēng)型格式(SUPG)離散以及利用同步交替法對(duì)耦合方程進(jìn)行數(shù)值求解，至此導(dǎo)出了懸浮物高度、速度、加速度隨時(shí)間的瞬態(tài)變化關(guān)系，以及不同懸浮端面振動(dòng)速度下懸浮高度的變化情況。
　　4)在建立起完全懸浮的轉(zhuǎn)子受到圓筒型定子激勵(lì)而旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，理論上分析了超聲驅(qū)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速瞬態(tài)特性。由于擠壓膜中的流體受到定子驅(qū)動(dòng)做作速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此產(chǎn)生與水平運(yùn)動(dòng)不同的附加效應(yīng)。針對(duì)此效應(yīng)，對(duì)控制方程

5、組進(jìn)行簡(jiǎn)化，并利用有限差分法對(duì)方程組進(jìn)行離散和求解。理論上論述了轉(zhuǎn)子在不同激勵(lì)信號(hào)、不同擠壓膜厚度、不同負(fù)載等因素的影響下的轉(zhuǎn)速變化問題。
　　5)提出了三種不同的新型非接觸式壓電作動(dòng)器，分別是直線型、球型以及圓筒型壓電作動(dòng)器，包括各種類型作動(dòng)器結(jié)構(gòu)、行波的激發(fā)、壓電陶瓷在作動(dòng)器中的振動(dòng)模式、蘭杰文振子的設(shè)計(jì)、有限元計(jì)算和仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及裝配和懸浮及轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)等。在研究過程中對(duì)近場(chǎng)超聲懸浮及驅(qū)動(dòng)的理論中的懸浮物瞬態(tài)特性、穩(wěn)定性以及