（机械设计及理论专业论文）超声波铸造振动系统热模态和宽频频率跟踪的实现及其试验研究.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 实践和理论研究表明，在金属铸造过程中施加功率超声可以有效 地改善铸锭凝固组织，减小热裂倾向，提高材料的综合性能。针对超 声铸造过程的特殊环境，研究高温条件下的超声波振动系统和电源控 制系统的特性、研制相关设备显得尤为重要。本文包括以下研究内容： 1 、基于有限元软件a n s y s ，建立铸造过程中2 0 k h z 超声振动系 统的热模态模型。研究超声振动系统在铸造过程中谐振频率变化的规 律，仿真结果表明：随着温度的升高，谐振频率线性下降，同时，分 析超声振动系统的振幅云图，发现在铸造条件下超声振动系统的节面 位置变化很小，可以认为节面位置不变。 2 、阐述了常用频率跟踪方式的特点，分析了相位跟踪方式的缺 点，确定超声电源的频率跟踪方式为电流跟踪方式。结合超声振动系 统的谐响应曲线，针对频率跟踪程序中两个重要参数s t e p 和r a n g e 的 设置范围提出了有效的建议。 3 、进行了超声波铸造实验，实验结果表明，超声铸造过程中谐 振频率线性下降，理论分析结果与实验结果一致；同时，研制开发的 超声电源采用电流跟踪方式及编制的相关软件是有效和可靠的，完全 可以满足超声铸造条件下的特殊工况要求。 关键词：功率超声，超声激振，热模态，超声电源，频率跟踪，工具 头 中南大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ep r a c t i c ea n dt h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c hh a v ei n d i c a t e dt h a t e x e r t i n gp o w e ru l t r a s o n i ci nt h ep r o c e s so fc a s t i n gm e t a l sc a l li m p r o v e s o l i d i f i c a t i o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，r e d u c et h eh o tt e a r i n ga n de n h a n c e t h ep r o p e r t i e so fm e t a l se f f e c t i v e l y i nv i e wo ft h es p e c i a le n v i r o n m e n to f t h eu l t r a s o n i cc a s t i n gp r o c e s s ，i t sv e r yi m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h e p r o p e r t i e so ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e ma n dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e mu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dd e v e l o pr e l a t i v ee q u i p m e n t s t h e m a i nc o n t e n to ft h ep a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h et e m p e r a t u r e - m o d a lc o u p l e dm o d e lo ft h e2 0 k h zu l t r a s o n i c v i b r a t i o ns y s t e mw a sb u i l tb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ts o ra n s y sa n d t h er u l e o fr e s o n a n c ef r e q u e n c yo ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mw a s f o u n di nt h ec a s t i n gp r o c e s s 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h e r e s o n a n c e f r e q u e n c yd r o p p e dl i n e a r l ya l o n gw i t h t h ei n c r e a s i n go f t e m p e r a t u r e a tt h es a m et i m e ，i tw a sf o u n d t h a tt h ep a n e ls u r f a c eo ft h e u l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mh a r d l yc h a n g e di nt h ec a s t i n gc i r c u m s t a n c eb y a n a l y z i n g v i b r a t i o na m p l i t u d ec l o u dc h a r t 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o n t r a c k i n gp a t t e r n sw e r ee l a b o r a t e d ，a n d t h e s h o r t c o m i n g so fp h a s et r a c k i n gp a t t e r n sw e r ea n a l y z e da n dt h e e l e c t r i cc u r r e n tt r a c k i n gp a t t e r nw a sa d o p t e da st h ef r e q u e n c yt r a c k i n g p a t t e m e f f e c t i v ep r o p o s a l sw e r ep u tf o r w a r du n i f y i n gh a r m o n yr e s p o n s e c u r v eo ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mi nv i e wo ft h ee s t a b l i s h m e n t s c o p eo f t w ok e y p a r a m e t e r ss t e pa n dr a n g e i nt h et r a c k i n gp a t t e m 3 t h eu l t r a s o n i cc a s te x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h er e s o n a n c ef r e q u e n c yd r o p p e d l i n e a r l y , w h i c hc o n s i s t e dw i t ht h e r e s u l to ft h e o r e t i c a la n a l y s i s a tt h es a m et i m e i tw a se f f e c t i v ea n d r e l i a b l et os e l e c tt h ee l e c t r i cc u r r e n tt r a c km e t h o da n dr e l a t e ds o f t w a r ef o r u l t r a s o n i cg e n e r a t o r , w h i c hd e f i n i t e l ys a t i s f i e dt h es p e c i a lo p e r a t i n gm o d e r e q u e s tu n d e r t h eu l t r a s o n i cc a s t i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s ：h i 曲d e n s i t y t e m p e r a t u r e m o d a lc o u p l e d f r e q u e n c yt r a c k i n g ，t o o lb a r u l t r a s o n i c ，u l t r a s o n i c v i b r a t i o n s y s t e m ， a n a l y s i s ，u l t r a s o n i c v i b r a t i o n g e n e r a t o r , 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高性能铝合金是一种高端工业应用合金，在工业上受到高度重视。随着我国 现代化进程的不断加深，对于高性能铝合金的综合性能提出了越来越高的要求。 我国十二五产业规划提出了振兴高端装备制造业，这要求结构材料具有更好的综 合性能，而且还要求采用大型整体构件来减轻重量，提高装备的刚度和可靠性。 如国产大飞机机身、高速列车、天地往返系统、运载火箭箭体等大型整体结构都 需要使用大规格的高性能轻质铝材【1 1 。为了得到符合需要的大规格铝材，需要对 传统的材料制备方法进行改进，科学家们对此进行了大量的研究并提出了很多新 的制各技术：材料的孕育处理、变质处理、电磁搅拌、超声熔体处理和微合金化 在 2 可o 超声熔体处理是一种在金属凝固前或凝固过程中施加超声波外场的技术。这 种技术在上世纪中叶就已经在国外出现。而该技术到了上世纪8 0 年代，随着压 电陶瓷和相关电子技术的发展，超声熔体处理才开始应用于工业领域。日本、法 国等国家都先后成功地把超声波应用于连续铸造，大大改善了铸件的质量，提高 了劳动生产率口。目前我国对该领域的研究还不多，相关的设备开发应用也很少。 随着研究的深入，超声波铸造的应用前景十分广阔。 1 2 功率超声应用于金属熔体处理 一般而言，超声波是指振动频率在1 6 0 0 0 h z 以上的高频声波，当高强度的 超声波在介质中传播时，会产生周期性的压强变化，如果介质是粘性的金属熔体 则会产生声流和空化效应，而空化效应对凝固过程中金属熔体的组织产生很大的 影响。研究及实践都表明，铸造过程中在金属熔体中施加一定强度的超声场可以 显著地细化晶粒、减小宏微观偏析、提高金属铸锭的合格几率。 1 2 1 超声振动应用于金属熔体处理的研究状况 上世纪，c h e m o v 提出了动态凝固的观点，被转化成各种处理手段，像机械 搅拌和电磁搅拌以及超声处理等应用在处理金属熔体中。依据各自的优点，这些 方法都得到了工业应用。c h e r n o v 把动态作用对凝固的影响写到了一本关于钢锭 凝固的著作里1 ，指出如果钢在一个剧烈摇晃的的模子里面凝固，冷却后的铸锭 中南大学硕士论文第一章绪论 就会得到细小的晶粒。换句话说，如果铸锭凝固冷却过程中没有外力使其摇晃， 凝结后的钢将会有粗大的晶粒。基于动态凝固的观点，逐步开发了使凝固过程中 的熔体产生受迫运动的工艺和设备，如对凝固过程中的熔体施加电磁场，对凝固 中的金属进行超声处理等相关处理技术。在工业上这些方法都具有一定的应用价 值，证明了c h e m o v 的有关理论的合理性。 早期的研究都集中在低频振动领域，这些类型的振动频率都很低，一般为几 十赫兹，能提供的振动能量也非常有限。随着超声振动技术的发展，高频的处理 技术逐渐取代了这些低频处理技术。 自1 9 1 0 年就已经开始有用一个离心振动器对含有熔体的铸模进行摇晃的方 法。以每分钟一百次的频率，1 5 - 2 0 m m 的振幅对铸模进行周期性的摇晃有利于去 除钢熔体中的气体和晶粒的细化，这样获得的铸锭具有更好的机械力学特性。随 后，对凝固中的金属施加低频振动的方法被广泛应用工业生产。b a l a n d i n h l 和 c a m p b e l l 哺3 在他们的著作中总结了关于低频振动的研究成果。 在连续铸造时，振动工具或者在当它浸入铸锭的液穴中被冷却，或者在靠近 凝固前沿处放置，低频振动就可以改善连续铸造后得到的钢锭的力学性能。 h e r r m a n n 和h o f f m a n n d e 实验证明了低频振动可以改善连续铸造的铸锭的机械性 能和力学性能哺1 。 从所有的这些关于金属熔体低频振动处理技术的研究，可以得出结论：低频 振动可以产生出固相碎片，它能改变熔体内部结构，增加其结晶核的数量。 尽管不同的作者提出各种不同的关于振动对凝固中的熔体的影响机制，但是 其中的绝大多数，都认为熔体存在着强烈的搅拌作用，它有利于熔体的均匀冷却 和促进其中晶核的形成。在使用电磁场或者机械搅拌器使熔体运动和观察凝固中 的金属熔体的温度时都很容易观察到这种冷却效应。 d o b a t k i n 对连续铸造的铝合金铸锭的凝固特点做了细致的研究【7 1 。他的实验 基础是：对连续铸造的铝合金铸锭的晶粒尺寸产生作用的各种因素可以归结为它 们对半连铸过程中液穴内的金属熔体温度的影响，他们认为熔体温度与合金的液 相温度的偏差值事实上决定了晶粒大小。搅动液穴使熔体向凝固界面的传热提高 而引起的液穴中熔体的冷却就是细化效应的原因。 s o k o l o v 是第一个在凝固锌，锡和铝实验时使用超声处理的人，其超声频率 选用的是0 7 - 0 8 m h z 。不过他没有观察到明显的晶粒细化现象。相反，由于超 声强度太小，他观察到了晶粒变粗了且枝晶继续生长。1 9 3 6 年和1 9 3 7 年，s e e m a n 以及s c h m i d 和e h r e t 在镉，锑，铝硅合金以及硬铝合金的凝固过程中加入了频 率为1 0 k h z 的超声场，他们观察到铸造晶粒有比较明显的细化现象。g o r e v 和 s h e v c h u k 在1 9 6 1 年研究了超声场对铝硅合金凝固的影响。b r a d f i e l d 研究发现用 2 中南大学硕士论文第一章绪论 频率为2 0 k h z 的超声对凝固中的含有4 铜的铝熔体进行处理比用6 0 h z 的超声 处理的细化效果更明显。以e s k i n 、a b r a m o v 为代表的许多研究者也同时展开了 振动效应对金属组织影响的研究刖引，探讨了超声振动对金属和合成有机材料凝 固过程的影响及作用机制，成果显著。美国田纳西州大学对超声处理高强铝合金 及钢材料进行了为期四年的研究，获得了在超声处理下，施振时间，冷却速率等 因素对金属熔体的影响规律。i r s i d 将超声振动施加于连铸过程，能明显改善润滑 状态，容易出型，减轻铸件表面偏析。国内的赵忠兴、陈康华、李英龙等学者采 用不同的超声处理方式对z c u p b 3 0 ， z l l 0 2 ，h t l 0 0 ，a i s i m g c u 等合金进行 处理，都发现合金组织得到明显细化，铸造缺陷获得大幅改善屯1 置埔。 从以上所提到的各种研究中可以得出一个结论：超声处理对铸锭的凝固组织 具有很大的影响。在金属凝固的过程中加入超声振动，可以明显细化凝固后的组 织，同时提高材料力学性能，增强各向同向性，减小金属的宏微观偏析。所以， 对熔体施加超声振动是改善铸锭质量、细化凝固组织、提高金属综合性能的有效 方法。 1 2 2 铝合金的超声半连续铸造 图1 1 超声半连续铸造示意图：图1 2 超声连铸得到的 1 ) 超声源；2 ) 传振系统；3 ) 结晶器；4 ) 铸锭；5 ) 熔炉 大规格铝合佥铸锭( 直径为1 2 r n ) 立式直接水冷半连铸造锭简称d c 铸造( v e r t i c a ld i r ec h i l lc a s t i n g ) ，19 3 3 年 法国人j u n g h a n s 一首先进行实验并取得成功。该方法在工业生产中得到了广泛的 应用，它的优点是生产效率高，缺点是组织分布不均匀、容易产生裂纹和内应力、 晶粒粗大等，容易对材料性能造成不利影响。 在纯铝及铝合金的连续或半连续铸造过程中施加超声波进行处理，可以使铸 锭的晶粒得到细化，而且铝合金连续铸造件表面的偏析也显著的减少。在国外已 中南大学硕士论文 第一章绪论 取得较好实验结果。图1 - 1 为超声应用于连续铸造的示意图，图1 - 2 为e k i n 通 过在半连续铸造施加超声波得到的大规格非枝晶结构铝合金铸锭n 引，国内对这方 面的理论和实验研究方面都很少，因此，铝合金的超声半连续铸造法是目前国内 连铸研究的前沿之一。 1 2 3 超声对金属熔体的作用效果的研究 1 超声对金属熔体的除气作用 用强度高的超声波作用于液体可以明显的减少液体中的溶解气体含量，该作 用已经被应用于熔融金属的除气过程，称之为超声除气技术。 1 9 2 6 年，t a y l o r 和b o y l en 钔发现超声波可以除去熔体中的气体。1 9 5 0 年 e i s e n r e i c h 做了用铝合金做了一系列除气实验，比较了真空除气、真空超声除气， 超声除气和氯气除气等四种除气方法的除气效果，其实验结果说明了超声除气的 巨大潜力和应用前景。t e u m i n 和e s k i n 啪1 等对工业纯铝a 7 ( 1 0 7 0 ) 的熔体开展超 声除气实验”得到了除气率与施加在熔体中的声强之间的关系。e s k i n 也将超声 除气效果和用氯化物精炼铝、真空处理等除气方法的效果进行了比较，指出将超 声除气和真空处理方法结合起来有助于提高除气率。 美国橡树岭国家实验室也做了铝合金的超声除气实验 2 1 - 2 3 1 ，他们使用最大输 入功率为1 5 k w 、频率为2 0 k h z 的超声波对a 3 5 6 铝合金熔体进行除气，熔体温 度越高，越容易达到稳定除气效果。温度越低，熔体的粘度越大，空化气泡越难 颤动，越难聚集，上浮。而且随着温度的降低，从熔体向气泡的氢气的纯扩散就 越难。 在国内李军文等也内做了铝合金坩埚除气实验【2 5 1 ，通过测量铸锭密度的大 小来判断除气的效率，发现当超声强度超过一定的阀值后除气效果才明显，而低 于这个阀值时不仅没有达到除气的目的，反而会增加金属内气体的含量，同时还 发现除气效率会随着超声频率和强度的升高而增大。 2 超声对金属凝固组织的细化作用 早期的实验研究已经证明，对处于凝固阶段的金属熔体进行低频振动处理后 可以观察到其凝固组织得到了一定的细化，而用高频率超声波处理后，金属和合 金的组织都得到明显的细化。 a b r a m o v 和o u r e v i c h l 2 6 使用超声波处理具有不同点阵结构的纯金属，结果表 明超声处理能明显地使金属晶粒细化，机械力学性能提高。e s k i n 等在这领域进 行了很多实验【2 7 。3 0 1 ，其研究认为对熔体进行超声处理可以除气、净化、精炼金属， 形成非枝晶组织，可以使高纯铝拉得伸强度从5 4 m p a 提高到7 0 m p a ，硬度从 h b l 7 2 提高到h b l 9 7 ，同时可以改善延伸率。在连续铸造中，用超声波处理a i s i 4 中南大学硕士论文第一章绪论 合金，发现超声波作用对初生s i 相的细化作用十分显著。x j i a n 等人【3 1 】对a 3 5 6 铝合金进行超声处理后发现合金在6 3 4 到5 7 4 区间内施加连续的超声振动后 组织呈现非枝晶结构，而施加间歇的超声能得到更好的组织结构。 李英龙等【32 】在金属凝固结晶的全过程进行了超声实验，研究了超声处理对过 共晶a i s i 及共晶合金组织和性能的影响。实验表明，适宜强度和频率的超声处 理能使共晶s i 相和初生s i 显著细化，呈粒状分布，合金的力学性能得到了显著 提高。赵忠兴等 3 3 , 3 4 把超声从底部导入来对铝合金进行处理，发现合金组织得到 了明显的细化。冯伟骏等【3 习使用高能超声来处理p b s n 合金，研究发现超声功率 越高，则合金组织的细化程度越高，但提高功率到一定程度后，细化作用不再显 著提高。胡化文掣3 剀做了7 0 5 5 铝合金熔体浇铸前进行超声处理的研究，认为是 空化作用激活了熔体中的氧化铝，激活其成为结晶核从而可以促进熔体内形核从 而细化组织，是其塑性和抗拉强度得到提高。 1 2 4 超声对凝固组织的作用机制 当功率超声在液体介质中传播时，其对液体介质具有下述独特的作用【3 7 】： 第一个为周期性激波作用，在介质中传播时会形成周期性激波，在波面处造成很 大的压强，并在局部产生高温高压等特殊效应。第二个是线性交变振动作用，当 超声波在介质中传播时，必然使介质粒子作交变振动，并引起介质中的应力或声 压的周期性变化，从而引起一系列次级效应。第三个为空化作用，空化作用是超 声波出现在液体介质中的一种重要作用，在超声作用下，液体中的气泡逐步生成 和扩大上浮，然后瞬间破灭，在气泡附近产生瞬时的高温高压，同时引起局部强 烈的激波。第四个为力学作用，振动的非线性会使临近介质间产生伯努利力，由 周期性变化的粘度引起的直流平均粘滞力等，这些直流力将产生凝聚作用、定向 作用等效应。第五个为声流效应，超声在粘性液体介质中传播时，超声振动振幅 的粘滞衰减会在液体内会形成声流。在上述各种作用中，超声空化与声流效应对 于金属熔体组织的影响起主要作用。 1 空化效应 液体中的微气泡( 空化核) 在声场的作用下振动，当声压达到一定强度时， 气泡将迅速膨胀，然后突然破灭，气泡破灭时产生冲击波振荡，这一系列过程称 为空化效应【3 剐。1 9 1 7 年r a y l e i g h 发表了相关论文奠定了空化理论的基础后，空 化现象一直是超声学及其应用的一项重要的基础研究。s u s l i c k 等人测定了在气 相反应的温度达到了5 2 0 0 - t - 6 5 0 k ，液相反应区的有效温度在1 9 0 0 k 左右，局部 压强可以达到了5 0 5 x1 0 7 p a 以上，而且这种局部的高温高压存在的时间很短， 只有几微秒，故温度变化率达1 0 9 k s 。这种瞬间的高温高压对周围的介质产生很 5 中南大学硕士论文第一章绪论 大的影响，并产生像声致发光、乳化作用和分散作用等一系列次级效应。 2 声流效应 声流效应是超声场中由于传播过程中的能量衰减而引起的液体流动的现象， 这种衰减效应能在熔体的可流动区域内引起环流，同时也能在局部区域引起湍 流。声流的搅动不仅可以使金属熔体温度场和成分更均匀，还对金属熔体内的颗 粒具有的搅拌作用。 1 3 超声振动装置的研究进展 超声振动装置是由超声波发生器和超声振动系统组成，而超声振动系统包括 超声换能器、变幅杆和工具杆等三个部分。如图1 - 5 所示。其工作原理是通过压 电陶瓷片的压电效应，将交流电信号转化为高频机械振动，然后利用变幅杆对振 幅进行放大。在实际加工中，根据需要选择不同类型的工具杆，与加工介质直接 接触，发射声波钔。 图1 - 5 超声振动系统及超声波发生器示意图 1 3 1 超声换能器的研究进展 第一次世界大战期间l a n g e v i n 发明的钢一石英钢结构的夹心压电换能器 是产生低频大功率超声的重大进展3 。h b m i l l e r 在2 0 世纪5 0 年代初发展了加 预应力的复合换能器，其基本结构至今仍得到广泛应用h 。2 0 世纪4 0 年代w p m a s o n 【4 2 】发明变幅杆，开创了强超声的应用。在m a s o n 发明了指数型变幅杆后， 2 0 世纪5 0 年代y 1 e m e p r y o l , 等又提出悬链线型变幅杆及组合变幅杆。理论方面， 2 0 世纪4 0 年代w e m a s o n h 引提出了著名的m a s o n 压电换能器等效电路。这种等 效电路采用机电类比的方式，将力学量转换为电学量，然后对等效电路进行求解， 从而获得换能器的设计参数。2 0 世纪7 0 年代r k d m h o l t z ，d a l e e d o m h e ， 6 中南大学硕士论文第一章绪论 g l m a t t h a e i 等人阻1 对压电换能元件提出了另一种等效电路，称作k l m 等效电路， 该等效电路将压电片明确地当作声学传输线，突出了压电片内声学参量的的空间 分布性质。目前的发展研究方式主要是通过有限元及边界元方法来分析三维振动 问题。 在国内，2 0 世纪6 0 年代以后研究重点为夹心式压电换能器，在等效网络理 论的上建立了一维理论，提出有电负载、力和损耗的情况下换能器的谐振频率和 效率表达式，指出如何优化换能器的方法h 引。2 0 世纪8 0 年代开发出了两种新的 超声换能器，一种是半穿孔结构式的宽频带压电换能器，应用于超声清洗领域； 另一种是双向辐射换能器，主要应用于超声乳化领域m 1 ，并提出了如何对换能器 进行声匹配h 7 1 ，为改进功率超声换能器设计指出方向。2 0 世纪9 0 年代主要的研 究方向是大尺寸压电换能器的二维计算，如复合振动、弯曲振动阻盯和扭转振动瑚3 等压电换能器的设计和计算，奠定了这类换能器在工业方面的应用基础。 1 3 2 超声波发生器的研究进展 超声波发生器( 又称超声波电源) ，其作用是向超声换能器提供一定频率的 交流电使之工作于谐振频率。根据激励方式的不同超声波发生器分两种：一种是 他激式，一种是自激式。而他激式超声发生器主要有两个部分组成：一是前级是 信号发生器，二是后级是功率放大器，然后通过输出变压器耦合，将一定频率的 交流信号加到换能器上。而自激式超声发生器，是把信号发生器、功率放大器、 输出变压器及换能器构成一个整体，形成一个闭环回路，通过幅度反馈、相位反 馈等反馈电路，使换能器保持工作于谐振频率上。本文主要设计的是他激式的超 声波发生器。 根据超声波发生器末级功放管所采用的电子器件类型的不同，超声波发生器 的研究主要经历了这样几个阶段： 1 ) 从早期电子管阶段，然后过渡到可控硅逆变式超声发生器，由于元件过 于笨重而且效率不高，都已经被淘汰了。 2 ) 晶体管式超声波发生器出现。0 c l 和0 t l 功放级电路都被应用到了超声 波发生器中，但由于其体积大，质量重，调谐困难，输出功率小等缺点，这种类 型的超声波发生器应用困难，仅仅在小功率场合( 2 0 0 w 以下) 应用。 3 ) 随着电子集成技术的发展，目前的超声波发生器开始使用功率模块。这 种超声波发生器可以通过调节开关管的占空比来控制输出的功率，具有功耗低、 效率高、体积小、重量轻、可靠性好、便于采用数字控制等优点。 7 中南大学硕士论文第一章绪论 1 3 3 超声波发生器控制方案的研究进展 超声振动系统是一个谐振系统，其谐振频率会随着外界条件的变化而变化， 所以要求超声波发生器输出信号的频率能对超声振动系统的谐振频率进行跟踪， 目前有如下几种频率跟踪控制方案腩： 1 声跟踪方案：声耦合的方式，从换能器上采集谐振频率的电信号，反馈成 自激振动器。 2 电跟踪方案：电跟踪又称反馈自激式振荡器，随着器件及控制理论的发展， 电跟踪方式由于其简单便利的特点逐渐成为主流的控制方案，主要的实现形式有 以下几种：阻抗电桥形式的动态反馈系统、负载分压方式的反馈系统和锁相式频 率主动跟踪。 3 数字式控制方式：现代控制理论的发展，促进了利用数字电路实现频率跟 踪这种跟踪方式。通过对换能器的工作电流进行在线测量、辨识，利用数字控制 芯片，如单片机、d s p 等计算控制量，从而改变工作频率至谐振频率。本文中的 所设计的跟踪方案正是这种数字式控制方式。 在国内，已有许多学者研制出了各种类型的具有跟踪功能的超声波发生器。 如中科院的马智龙，丁玉薇随2 1 研制了程控功率超声波发生器，通过单片机控制数 据的采集和频率的输出，对输出的功率、功率因数、频率等进行程序监控，使超 声工作在一定的频率和功率上。华北电力大学刘丽华，顾煜炯，杨昆等人嘲研制 了一种他激式智能化功率超声波发生器，采用单片机控制，可以实现的输出频率 范围为2 0 k h z 3 8 k h z ，输出功率为3 0 0 w 。 随着工业技术的不断发展，对超声振动系统的性能提出了越来越高的要求。 由于工业现场的复杂性，如工作温度，工作负载等的不断变化，是超声设备获得 最大功率的谐振频率也发生相应的变化。超声波发生器作为整个超声振动装置的 “大脑”，需要具备性能良好的控制系统，才能保证超声振动系统在这样的环境 中正常工作。根据超声振动系统的特性和工作要求，现代超声发生器应该具备如 下特点： 1 良好的匹配电路。能保证发生器提供足够的电功率，使电功率的效用发挥 到最大。 2 频率自动跟踪功能。由于超声振动系统自身的谐振频率对外界负载、热载 荷等因素较为敏感，这些因素的改变会引起超声振动系统谐振频率的变化，导致 系统失谐或者停止工作。所以超声波发生器必须具备频率跟踪的功能。 3 功率自适应功能。在工作中，希望输出功率能自动随负载的变化而变化， 比较理想的状态是当超声振动系统空载时输出功率最小，当负载增加时输出功率 中南大学硕士论文第一章绪论 也随之增加，这样有利于超声设备的工作，这可以通过分析超声振动系统的负载 特性，选择合适的谐振频率点来实现；另外可以通过改变输入电压，或者采用斩 波器通过改变开关管的占空比来控制输入到逆变器的电压来实现。 1 3 4 变幅杆的研究进展 上世纪4 0 年代，w p m a s o n 发明了变幅杆，进入高强度超声时代。2 0 世纪 5 0 年代出现了指数型变幅杆、悬链线型变幅杆及由多级组合的变幅杆。2 0 世纪 6 0 年代e e i s n e r 提出了形状因数的概念，发展了一种可以获得很高的位移振幅 的高斯型变幅杆。同时森荣司提出振动方向变换器，用功率合成方法可以获得特 大功率的超声泓3 。在变幅杆设计理论方面，w p m a s o n 首先提出了等效网络分 析法陆钉，在此基础上又提出了用于复杂结构的一位纵振分析的传输矩阵方法嘲3 。 日本森荣司于2 0 世纪7 0 年代提出了表观弹性法，用于分析二维振动喳 。随着有 限元理论和相关软件的发展，目前已可以利用有限元和边界元方法分析三维振动 问题。 1 4 超声振动系统的主要研究方法 目前对变幅杆的分析方法主要有3 种：解析法、等效网络法、有限元法等。 解析法。 1 4 1 解析法 解析法的理论基础是连续体机械振动动力学理论。考虑由均匀、各向同性材 料所构成的变截面杆，其杆长为l ，截面积函数为s ( x ) ，密度为p ，拉压弹性 模量为y ，不计及机械损耗，且设纵波沿杆轴向传播，假设在杆的横截面尺寸 远小于波长时，则在杆的横截面上应力分布是均匀的，这成为一维纵向振动。取 细杆中心线为x 轴，如图卜6 所示。 中南大学硕士论文第一章绪论 图卜6 解析法示意图 s ( x ) 截面的纵向位移u 是坐标x 和时间t 的函数，及有u ( x ) = u ( x ，t ) ，于是根 据牛顿定律可以得到杆的纵振的动力学方程： a 2 甜la s ( x ) a 甜 1a 2 “ o x 2 。s ( x ) o x缸c 2o t 2 ( 1 1 ) 其中c 为杆中纵振声速， 石 e = ；一o p 由于杆受简谐激励，式( 1 - 1 ) 转化为： 一0 2 u + l a s ( x ) 一o u + k 2 u = o o x 2 s ( x ) o xo x ( 1 2 ) 式中，k 为波数，k = 6 0 c ，( - ) 为角频率。将振速v = ( j6 0 ) u 带入方程( 卜2 ) ，得 到任意杆截面的一维纵向振动的速度的方程哺2 3 ： 堡+ 上盟塑+ k 2 v = 0 o x 2 s ( x ) o xo x ( 1 3 l 解析法是从一般的振动系统的动力学方程及其通解出发，从而可以推导出超 声振动系统性能分析过程中所采用的一些基本公式。如果变幅杆是单一形式的， 只需要将边界条件代人振速或者应力分布的通式，即可求得频率特性或者频率特 性。如果变幅杆是有几段形状不同的杆组合而成，这样就要将组合系统分成独立 的单级杆单元，然后利用连续性条件和边界条件，根据单元的应力分布和振速通 式，求出组合系统的频率特性和振动特性。 中南大学硕士论文第一章绪论 1 4 2 等效网络法 等效网络法的基本思想是：任意形状函数的变幅杆都可以被分割成若干个直 圆锥段来趋近( 圆柱是圆锥的一个特例) ，单个直圆锥段可以等效为一个四段网 络，这样，任意形状函数复合成纵振复合变幅杆后都可以转化为一个四端网络， 如图1 - 7 所示。 f 1 - - - - - - - m - - 厂二 + - 乳 - + l si v l x x 4 。- a 假 v 2 xtv 一 图1 - 7 杆的等效四端网络示意图 任意形状函数的单级变幅杆都可以等效成一个四端网络，其表达式为： f2：=口a：l。l互fz+口g：12：篆 墟 其中f l ，f 2 ，和v ，v ：分别是输入端和输出端的力及振动速度，a 1 1 ，a 1 2 ， a 2 1 和a 2 2 是传递函数。 任意形状函数的单级变幅杆都可以等效为四端网络。四端网络法可以将各种 形状函数的变幅杆的各参数都编成子程序，在设计振动系统的时候，随时调用。 当振动系统复合级较多时，传统的解析法就显得繁琐，而等效网络法能有效地解 决这个问题。 1 4 3 有限元法 在分析超声振动系统时，计算其振动的固有频率和振型是确定其谐振频率的 基础。求连续系统的固有谐振频率，在数学上归结为求特征值的问题。除了个别 特殊问题，大多数的实际问题都很难获得数学上的解析解。在质量和刚度分布不 均的情况下，一些简单问题，如杆的纵向振动、杆的扭转振动等都难以获得精确 中南大学硕士论文第一章绪论 的解析解。因此一些近似的方法更适合工程应用。 有限元法是一种以变分原理和剖分插值为基础的数据近似计算方法。该方法 将研究对象划分为一定数量的网格，通过建立和求解研究对象的振动微分方程 组，对其进行模态仿真，这种处理方法最终归结为m i ( 型广义特征值问题。应用 这种方法可以得到复杂振动系统的各阶固有频率和振型，随着网格的增加，可以 获得精度很高的仿真结果。 a n s y s 作为目前最成功地有限元软件之一，可以对超声振动系统进行精确 建模，同时可以简化从建模到后处理的一系列过程，不仅可以分析振动系统的谐 振频率和模态，而且还可以给出超声振动系统任意位置及任意时刻的应力和应变 以及位移分布。随着超声振动系统越来越复杂，加载条件的多样化，应用有限法 来进行振动特性仿真变得尤其重要。本文主要应用有限元法来对超声振动系统进 行分析。 1 5 论文课题来源、研究意义及主要内容 1 5 1 课题背景与来源 本课题来源于国家重大基础研究发展项目( 9 7 3 计划) “高性能铝材与铝资 源高效利用的基础研究 的课题“大铸锭能量传输与宏微观缺陷的产生及控制 ( 编号：2 0 0 5 c b 6 2 3 7 0 7 ) 及“航空航天用高性能轻合金大型复杂结构件制造的 基础研究( 课题编号：2 0 1 0 c b 7 3 1 7 0 0 ) 。 1 5 2 研究意义与主要内容 铝合金超声铸造是一项无污染，高效率且极具发展潜力的新型技术。而超声 铸造环境比较恶劣，铝合金熔体的高温会使换能系统的性能发生改变，换能系统 的纵向谐振频率降低，而国内常规的超声波电源由于频率跟踪范围比较窄，在使 用中经常发生功率降低、失谐等不利现象，导致铸造不能正常进行。因此开发设 计出能实现大范围频率跟踪的超声波发生器是实现超声铸造工业化应用的前提。 为了设计出能在高温下使用的超声波发生器，首先，通过应用a n s y s 对超声振动 系统进行热模态分析，以获得高温下超声振动系统的谐振频率随温度变化的特性 来指导跟踪程序的设计，然后通过实验来验证仿真结果的合理性；其次，采用电 跟踪方案进行频率跟踪程序的设计，根据超声振动系统的谐振频率的温度特性对 程序中的参数进行设定和调整；最后，通过实验来验证整个超声波发生器的硬件 和软件是否能较好地应用于铸造条件下。本文的主要内容安排如下： 中南大学硕士论文第一章绪论 第一章：简要概述物理外场处理金属熔体技术的发展历史，特别是超声铸造 技术的国内外的发展情况和超声振动系统，超声波发生器的国内外动态，同时阐 述本文的课题来源、研究内容和意义。 第二章：介绍热模态分析的基本原理，并应用a n s y s 有限元分析软件，建立 超声振动系统的有限元模型，对加载有温度场超声振动系统进行了模态分析，以 获得铸造条件下超声振动系统的谐振频率变化特性，并通过实验验证仿真结果的 合理性。 第三章：讨论了旧式超声波发生器的局限性和不适用性。确定新超声发生器 的频率跟踪方案、跟踪电路方案以及软件设计方案。同时根据第二章对超声振动 系统的分析结果，给出软件设计中参数如何选定的方法和计算方法。 第四章：将超声波发生器和超声振动系统在坩埚里进行现场实验，测试超声 波发生器的频率跟踪功能的可靠性，以及超声振动系统的稳定性。 中南大学硕士论文第二章超声振动系统的热模态分析 2 1 引言 第二章超声振动系统的热模态分析 在铝合金半连铸中，引入功率超声可以改善铝合金的凝固组织，不需要加入 任何细化剂，是一种清洁环保的技术。但是在铝合金半连铸的高温环境下，超声 振动系统会受到影响，这种影响主要变现为其超声振动系统的工具杆的材料属性 因为高温而发生了变化，从而导致其谐振频率和模态发生了改变，从而无法正常 工作。本章主要通过计算机模拟的办法，分析超声振动系统的热模态特性，找出 其变化规律，为实现频率跟踪奠定基础。 2 2 热模态分析的理论基础 2 2 1 热模态分析的原理 为了把超声引入铝合金半连铸中，需要把超声振动工具杆插入铝合金熔体至 一定深度。高温的铝合金熔体导致超声振动系统升温，在其内部形成温度场。升 温后，材料的物理性能会受到影响，材料的弹性模量和密度会降低，同时产生热 应力，这会改变工具杆的刚度分布，影响结构的模态和固有振动频率。 考虑温度场对模态和固有振动频率的影响时，需要考虑以下因素陆。1 ： 1 温度对材料物理性能的影响； 2 温度梯度导致热应力对刚度的影响； 考虑振动方程 m 函) + c 位) + k 函) = o 其中，m 是质量矩阵，c 是阻尼矩阵，k 是刚度矩阵，k 】是节点位移矢量。 一般认为结构的阻尼很小，因此，在求解结构的模态和固有频率是，认为 c = 0 。则方程简化为 m 函) + k 函) = 0 半连铸高温条件下加热的热效应，不会影响到振动方程中的质量矩阵m ，因 此 m = m c 删 而刚度矩阵k 是材料物理属性杨氏模量e 和泊松比的函数，即 1 4 生童盔堂堡主笙銮 一 第二章超声振动系统的热模态分析 二- 二二二：= ：= 二： k = k 幔，曲 当超声工具杆被加热时，材料物理属性杨氏模量e 和泊松比受温度的影响 较大，因此材料物理属性杨氏模量e 和泊松比可以表达为温度的函数，即 e = 以乃 = 从乃 因此，受到温度场的刚度矩阵k ，可以写出温度t 的函数。即 k = k ( z ) 因此，受到温度场作用的结构振动方程可以表达为， m c o 憾t 迹1 ；+ k 毡= 0 刚度矩阵与结构的温度场分布相关，所以在求解超声工具杆受热后的模态， 首先需要知道超声工具杆在受热后的温度分布情况，这就需要先对工具杆迸行温 度场分析。 2 2 2 瞬态热分析的理论 由于需要怼擎个加热历程中工具杆的模态变化进行计算，所以采用三维瞬态 温度场来计算【6 5 1 。 三维瞬态温度场丁( x ，y ，z ，f ) 所满足的热传导方程为： 矽詈= 名謦+ 窘+ 1 9 2 t + 统矽百“( 萨+ 矿+ 可) + 统 其中：t = ( x ，y ，z ，f ) 为温度，它是空间、时间的函数；p 为密度( k m 3 ) ；c 为 比热( j k g 。c 4 ) ；五是热传导系数；q l 为内热源。名、p 、c 等都与温度有 关。 满足的边界条件有三类： 第一类边界条件给定边界上的温度。边界上的温度可以表示为位置和时间的 函数，如下形式： 在边界面s 处t f ，= f ( r ，f ) ( 2 - 8 ) 第二类边界条件给定所求函数在边界上的法向导数值。边界上的热流密度可 以表示为时间和位置的函数，并如下形式： 在边界面s 处挈i 。= 厂( ，f ) ( 2 - 9 ) on 中南大学硕士论文第二章超声振动系统的热模态分析 其中，若边界绝热，则表示为：娑i 。= 0 。 a 玎 第三类边界条件给定所求函数在边界上的函数值和法向导数值的线性组合， 其等同于给定外界介质的温度和边界上的传热系数，由此又称为对流换热边界条 件。 鼻，r 在边界面s 处一无i ，= | i 2 ( i 一乃) ( 2 1 0 ) ( 7 玎 式中，等号左边是在表面外法线方向物体内部导热的热流密度，等式右边是物体 表面遵循牛顿冷却定律传递给环境的热量。 2 2 3 热模态分析的流程 图2 - 1 超声振动系统的建模过程 图2 1 温度场合热模态的分析流程。根据瞬态加热的边界条件以及初始温度 场，考虑材料的热物性参数( 导热系数、比热容) ，就可以求解结构的瞬态温度 场；读取某一时刻的瞬态温度场作为热载荷，结合材料的力学和物理性能参数( 热 膨胀系数、弹性模量和泊松比) 可以求解结构的热应力( 由于通过热应力分析发 现超声振动工具杆在半连铸的温度条件下，其热应力很小，不影响热模态的计算， 所以忽略热应力，不对其进行计算) ；以热应力作为预应力并结合材料随温度变 化的的力学性能参数( 密度、弹性模量、泊松比) 求解结构的热模态唧3 。 中南大学硕士论文 第二章超声振动系统的热模态分