超声喷丸换能器振动特性仿真分析

□ 刘先英 □ 赵 聪 □ 芦小龙 □ 何雪婷

1.上海飞机制造有限公司 上海 2004362.南京航空航天大学 航空学院 南京 210016

1 分析背景

超声喷丸成形是近年来兴起的一种冷加工成形工艺[1-2],通过撞针或弹丸撞击金属板材的表面,使金属板材表面及其下层金属产生塑性变形并延伸,使金属板材逐步向受喷表面的方向凸起弯曲变形,逐步达到所需外形[3-4]。

超声喷丸成形工艺操作简便灵活,具有广阔的应用前景,特别适用于航空工业飞行器壁板类零件的成形与校形[5]。国外对于超声喷丸成形工艺已经进行了大量研究,国内相关研究与应用起步则较晚。相关调查研究结果显示[6-8],当前真正投入使用的超声喷丸成形设备只有SONATS公司研制的便携式超声喷丸设备。由于技术垄断,这一设备在国内的售价高达一百多万元人民币。由此可见,有必要研发一套国产超声喷丸成形设备。

笔者针对超声喷丸成形设备在大型壁板类零件成形与校形方面的应用需求,设计了核心部件超声喷丸换能器,并应用COMSOL多物理场仿真软件对超声喷丸换能器的振动特性进行仿真分析,为超声喷丸成形设备的后续设计提供参考。

2 主体结构

超声喷丸换能器的主体结构由两部分组成,包括传统兰杰文振子和变幅杆。兰杰文振子结构如图1所示。由四片压电陶瓷夹在前后盖板之间,压电陶瓷的逆压电效应在表面产生皮米级微振幅。变幅杆将压电陶瓷表面的微振幅放大,在变幅杆端面输出微米级振幅,推动撞针对外做功。

变幅杆是超声喷丸换能器中的重要零件,能够将微振幅放大到满足工作要求的量级。常见的变幅杆有三种型式:指数型、阶梯型、圆锥型[9]。对于应用于超声喷丸换能器的变幅杆,要求端面有足够大的表面积,用于安装数量足够多的撞针阵列。由此,选用阶梯型变幅杆,并将截面形状设计为正方形。变幅杆结构如图2所示。

超声喷丸换能器结构如图3所示,变幅杆与前盖板通过螺纹连接,前后盖板之间夹有压电陶瓷与铜电极片,压电陶瓷与铜电极片交错设置,通过螺栓预紧。

3 建模

为验证超声喷丸换能器是否能够满足工作要求,应用SolidWorks三维建模软件进行超声喷丸换能器建模,导入COMSOL多物理场仿真软件进行仿真分析,以研究其振动特性。为了减少计算,并且保证计算结果相对准确,对超声喷丸换能器三维模型进行适当简化,省略对仿真结果影响不大但对后续网格划分影响很大的结构,如电极片接线耳等。

不同的材料会对仿真结果造成不同的影响,选择适当的材料对超声喷丸换能器振动特性进行仿真分析至关重要。超声喷丸换能器中,变幅杆、前盖板、螺栓材料为无氧钛,后盖板为AISI 4340高强度合金钢,压电陶瓷型号为PZT-8。

超声喷丸换能器的工作频率为20 kHz,电压可以根据所需表面最大振幅进行调整,不高于1 000 V即可。仿真分析所使用的电压为400 V。在兰杰文振子中,上下及中间三个铜电极片接地,其它两个铜电极片接400 V高频交变电压。为了使能量传输方向向变幅杆一侧集中,获得最大表面振幅,四片极化方向不同的压电陶瓷交替排列,两片的极化方向为Z向,两片的极化方向为-Z向。根据以上情况设置仿真边界条件,如图4所示。

网格划分是仿真分析中的一个重要步骤,网格划分良好不仅可以得到较为准确的计算结果,而且可以减少计算,节省计算资源和时间[10]。针对超声喷丸换能器,采用正四面体网格,压电陶瓷和铜电极处结构尺寸与其它部位相比较小,为了计算结果更为精准,适当加密网格。COMSOL软件网格划分如图5所示。

4 振动特性

4.1 特征频率与表面最大振幅

对于超声喷丸换能器,重点关注其特征频率及其在共振条件下的表面最大振幅。特征频率应靠近20 kHz,表面最大振幅一般出现在变幅杆端面中心点,按照要求,应达到24 μm以上。实际情况是,COMSOL软件得到的表面位移并不接近于真实解,有时甚至与真实解相差较大。为了得到表面振幅的真实解,理论上应该通过试验来确定。

本次仿真分析为前期验证性计算,以400 V电压工作情况为例,研究各部位尺寸变化时表面最大振幅变化趋势,并以此为依据,寻找结果较好的一组尺寸。关于仿真结果表面最大振幅是否能够达到24 μm以上,并不特别关注。实际仿真结果是,当电压为400 V时,表面最大振幅可以达到10 μm左右,将电压增大到1 000 V,表面最大振幅超过24 μm。

特征频率和表面最大振幅随不同部位尺寸的变化趋势如图6所示。由图6可以看出,特征频率与前盖板长、后盖板长、变幅杆后段长度、变幅杆中段长度都呈负相关,各部位尺寸对表面最大振幅的影响相对较小,存在一个使表面振幅达到最大的尺寸,可以以此为参考,综合分析,选择兼顾特征频率与表面最大振幅的一组尺寸。

根据图6,笔者选择表1所示超声喷丸换能器各部位尺寸,进行仿真分析。除表1所示尺寸外,前盖板、后盖板、压电陶瓷、铜电极片直径均为40 mm,压电陶瓷、铜电极片内径为16 mm,压电陶瓷厚度为5 mm,铜电极片厚度为0.6 mm,二者内径均为16 mm。前后盖板中心开直径为10 mm的螺纹孔,用于螺栓预紧,螺栓长度为68 mm。

表1 超声喷丸换能器各部位尺寸 mm

4.2 位移场

按照所建立的超声喷丸换能器三维模型和设置的边界条件,在COMSOL软件中进行超声喷丸换能器频域计算,得到位移场分布,如图7所示。

电压为400 V时,超声喷丸换能器表面最大振幅达到9.68 μm。变幅杆端面的位移最大,能量较为集中传递至端部,这与预期的结果基本吻合。与此同时,变幅杆表面振幅的一致性较好。

为了更加直观地反映压电陶瓷和变幅杆端面位移分布情况,便于后续设计中确定夹持位置,提取图7中截线1～截线4处数据,截线处位移情况如图8所示。

由图8(a)可知,变幅杆端面最大振幅位于接近端面几何中心点,端面最大位移与最小位移之差在0.5μm左右。由图8(b)可以确认能量从压电陶瓷中央向两端扩散的趋势。

5 结束语

笔者针对超声喷丸成形工艺需求,设计了一种超声喷丸换能器,利用COMSOL多物理场仿真软件对超声喷丸换能器的主体结构进行特征频率分析、频域分析,得到其振动特性,这些工作为超声喷丸成形设备的后续设计及研发工作提供了支持。需要注意的是,仿真分析结果,特别是表面振幅结果,仅能定性说明振幅分布趋势,在未得到试验修正的前提下,有时甚至和真实情况差别较大。因此,后续应当加工出实物进行试验验证,对仿真分析结果进行修正,以提高理论预测的可靠性。