稀土超磁致伸缩换能器结构设计及性能优化

摘要

声波无损检测作为无损检测的主要方法之一，以其穿透能力强、设备简单、使用条件及安全性好、检测深度大等优点，越来越多的应用在桥梁、公路、国防及医疗领域等各行各业中。一套完整声波检测体系主要由震源（即发射换能器）、接收传感器和数据处理软件三部分构成。其中发射换能器作为检测系统核心组件，其性能优劣对检测结果有显著影响。在换能器工作原理及压电-压磁类比法的基础上，本论文以Terfenol-D材料作为驱动元件的换能器为研究对象，采用有限元工程应用软件ANSYS对其自身材料的选择及结构尺寸进行优化分析。本文主要研究内容及结果如下：
　　(1)Terfenol-D棒输出特性的分析。建立磁棒三维模型，分析其各阶模态阵型及不同波形电流激励作用下输出位移的响应特性。结果表明：磁棒空气中谐振频率随着长径比的增大而下降；在方形波、三角波、正弦波及锯齿波四种波形的激励信号作用下，输出位移响应波形是大致相同的，但方波激励信号的输出响应能够达到的瞬态位移最大，余振也最大，锯齿波则最小。
　　(2)辐射头对稀土超磁致伸缩换能器输出性能的影响。将稀土超磁换能器简化为由Terfenol-D棒和辐射头两部分组成的振动模型，分析辐射头形状及材料参数对换能器输出性能的影响；在共振及非共振条件下，分析换能器电能转化为机械振动的实时变化情况。结果表明：不同形状辐射头中，长方体辐射头换能器的基振频率最低，动态位移最大；不同材料的辐射头中，45＃钢辐射头的基振频率最低，动态位移最大；在非共振低频激励条件下，换能器的输出信号为同频的正弦周期信号；在共振条件下，换能器的实时位移不再是正弦波形，但其瞬态位移有明显提高，能达到125μm，并且瞬态输出位移远大于压电换能器。
　　(3)双激励源稀土超磁致伸缩换能器输出特性的分析。首先建立双激励源换能器模型，即在两个激励源Terfenol-D棒中间加入无源质量块，激励源长度比、中质量块和辐射头结构尺寸及材料参数对频率的影响最为显著。结果表明：基频与二阶频率差值随着激励源磁棒长度比的不同而改变；随着辐射头及中质量块径向和纵向的增大，基频、二阶谐振频率及频率间隔均降低。前辐射头采用铝镁合金的长方体辐射头，中质量块采用黄铜材料时，基频和二阶谐振频率的间距最近，使频带展宽成为可能。
　　通过本文的研究，得到了稀土超磁致伸缩换能器结构尺寸及材料参数对其输出性能的影响，从而为磁致伸缩换能器的进一步开发提供依据。

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第1章 绪 论

1.1 稀土超磁致伸缩材料及其特点

1.2 稀土超磁致伸缩换能器的研究现状

1.3 ANSYS用于换能器设计的分析方法

1.4 本文选题依据及主要研究内容

第2章 Terfenol-D棒输出特性的分析

2.1 稀土超磁致伸缩换能器结构及工作机理

2.2 Terfenol-D棒有限元模型的建立

2.3 Terfenol-D棒振动模态分析

2.4 Terfenol-D棒振动瞬态分析

2.5 本章小结

第3章 辐射头对稀土超磁致伸缩换能器输出性能的影响

3.1 换能器有限元模型的建立

3.2 换能器模态分析及谐波响应分析

3.3 换能器瞬态分析

3.4 本章小结

第4章 双激励源稀土超磁致伸缩换能器输出特性的分析

4.1 建立双激励源结构的换能器有限元模型

4.2 Terfenol-D棒长度比对换能器谐振频率的影响

4.3 结构尺寸对双激励源换能器输出性能的影响

4.4 材料参数对双激励源换能器输出性能的影响

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文