鑄造用超聲換能系統(tǒng)阻抗模型研究及超聲波電源的設(shè)計(jì).pdf

1、目前國外在高性能鋁合金上對我國進(jìn)行技術(shù)封鎖,為了不受制于人,我國必須具有自主制備大規(guī)格、高性能鋁合金材料的能力。在鋁合金的鑄造過程中施加超聲外場技術(shù)是改善其性能的一種重要手段。目前,由于換能系統(tǒng)受高溫鋁合金熔體的影響比較大,國內(nèi)常規(guī)超聲波電源不能正常工作,因此有必要自行設(shè)計(jì)超聲波電源。為了給電源的設(shè)計(jì)提供諧振頻率、阻抗等設(shè)計(jì)參數(shù),本文研究以下幾方面內(nèi)容:
　　 1、通過基本的導(dǎo)熱理論,基于Ansys仿真軟件,建立了鑄造過程中的超

2、聲換能系統(tǒng)導(dǎo)熱模型,采用APDL語言對該模型施加載荷,獲得了該系統(tǒng)的溫度場分布情況。結(jié)果表明,換能系統(tǒng)工具頭浸入720℃的鋁合金熔體25mm后的20分鐘內(nèi),工具桿前、后端的溫升對材料的彈性模量的影響是需要重點(diǎn)考慮的。在與仿真條件相同的鋁合金熔體中做了溫度測量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近。
　　 2、通過壓電學(xué)的基本概念,利用壓電陶瓷堆和等截面細(xì)桿的等效電路,結(jié)合已計(jì)算出的溫度場,推導(dǎo)并建立了該系統(tǒng)在常溫和上述工作條件下10分

3、鐘后的阻抗模型,將系統(tǒng)各部分的物性、尺寸等參數(shù)同其阻抗聯(lián)系了起來。利用Matlab編寫了阻抗分析程序,分析系統(tǒng)在上述兩種不同條件下15～28KHz內(nèi)的阻抗。結(jié)果表明,在兩種條件下系統(tǒng)分別存在二階、三階縱向諧振頻率。而且高溫鋁合金熔體使工具桿前端彈性模量降低較為明顯,導(dǎo)致一階縱向諧振頻率顯著降低,該諧振頻率對應(yīng)阻抗|Z|增加較為明顯。應(yīng)用Agilent4294A阻抗分析儀對系統(tǒng)做了阻抗分析實(shí)驗(yàn)和諧振頻率測量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近

4、,獲取了系統(tǒng)諧振頻率隨時(shí)間的變化范圍。
　　 3、結(jié)合阻抗模型以及諧振頻率測量實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)出了鑄造用超聲波電源,該超聲波電源采用TMS320F2808作為控制核心,并采用交-直-交變頻原理,通過匹配電路輸出頻率范圍為10～22KHZ的高頻電壓來驅(qū)動換能系統(tǒng)。
　　 4、用新設(shè)計(jì)出的這臺超聲波電源做鑄造試驗(yàn),經(jīng)過長時(shí)間的考驗(yàn)都穩(wěn)定地工作,而且它具有頻率調(diào)節(jié)范圍寬,能適應(yīng)多種規(guī)格換能器的優(yōu)點(diǎn)。與原有的超聲波電源相比,換能系統(tǒng)諧