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15kHz超声铸造振动系统设计及其试验研究

作　者: 邓丽娜
导　师: 李晓谦
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 功率超声超声振动系统有限元分析超声铸造晶粒细化
分类号: TG233
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 65次
引　用: 1次
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内容摘要

功率超声产生的空化、声流、机械等非线性效应可以使物质的一些物理、化学、生物特性或状态发生改变。金属凝固过程中施加功率超声可以有效地改善铸锭凝固组织,提高材料特性和机械性能。铝合金铸造过程中引入超声场是当前研究的热点及未来铸造技术的一个新发展方向。本文主要以7050铝合金超声铸造为切入点,主要从以下几方面进行了研究：1.结合铝合金铸造的特点,确定了换能器和变幅杆的类型和材质。根据任意变截面的波动方程及振动系统的设计原理,建立了换能器和变幅杆结构的物理和数学模型。在此基础上对15kHz的超声振动系统的主要结构换能器、前后端盖、变幅杆和工具杆进行了设计。2.在ANSYS有限元分析软件中建立了15kHz超声振动系统有限元模型,并通过模态分析计算得出该系统的主要动态性能。应用多普勒测振仪测量了该超声波振动系统的纵向谐振频率、位移振幅等主要性能参数。实验结果与仿真结果一致,说明了设计和有限元模型建立的合理性。3.应用恒流量热法,分别测量了15kHz和20kHz超声振动系统的实际输出功率及其在液体中能量的规律。应用不同超声振动系统分别进行水模拟实验和7050铝合金超声铸造试验。试验结果表明：15kHz超声振动系统在液体中作用效果比20kHz强烈；在铝熔体中导入功率超声对铝合金凝固组织有较好的细化效果,晶粒组织均有粗大的枝状晶变成均匀的等轴晶。在相同的条件下,15kHz对铝合金的细化作用效果较20kHz的更明显,晶粒更均匀和细化。且随着超声功率的增加,晶粒细化效果越明显。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-17
  1.1 引言  7
  1.2 功率超声在国内外的发展及应用现状  7-8
  1.3 超声振动在金属凝固中的应用研究现状  8-12
  1.4 超声细晶技术的基本原理  12
  1.5 超声导入方式及课题研究现状  12-15
    1.5.1 超声波导入方式  12-14
    1.5.2 课题研究现状  14-15
  1.6 论文课题来源、研究意义及主要内容  15-17
    1.6.1 课题背景与来源  15
    1.6.2 研究意义与主要内容  15-17
第二章直入式铝合金熔体处理超声振动系统的设计  17-35
  2.1 引言  17-18
  2.2 换能器的选择与设计  18-24
    2.2.1 换能器类型的选择  18
    2.2.2 夹心式换能器的特点  18-19
    2.2.3 换能器的性能参数  19
    2.2.4 夹心式压电换能器设计理论  19-23
    2.2.5 换能器的设计  23-24
  2.3 超声变幅杆和工具杆的设计  24-33
    2.3.1 变幅杆类型的选择  25-26
    2.3.2 变幅杆材料的选择  26
    2.3.3 变截面杆纵振动的理论设计  26-33
  2.4 超声振动系统分析  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章 15kHz超声振动系统有限元仿真及其实验  35-47
  3.1 引言  35
  3.2 超声振动系统有限元模型的建立及其仿真  35-41
    3.2.1 ANSYS软件用于超声振动系统分析的基本理论  35
    3.2.2 超声振动有限元系统的分析原理  35-36
    3.2.3 超声振动系统的模态分析  36-41
  3.4 超声振动系统的加工与安装要求  41-42
  3.5 超声振动系统主要参数的测量  42-45
  3.6 本章小结  45-47
第四章不同超声振动系统对铝合金铸造组织的影响  47-59
  4.1 超声波功率的测定  47-52
    4.1.1 试验材料与装置  49
    4.1.2 试验方案  49-50
    4.1.3 试验结果及分析  50-52
  4.2 不同频率值的超声振动系统水模拟试验  52-53
  4.3 不同超声振动系统对7050铝合金凝固组织的影响  53-57
    4.3.1 试验材料与设备  53-54
    4.3.2 试验方案  54-55
    4.3.3 试验结果与分析  55-57
  4.4 本章小结  57-59
第五章全文总结及展望  59-61
  5.1 主要研究工作及结论  59
  5.2 研究中存在的问题及展望  59-61
参考文献  61-65
附录  65-67
致谢  67-68
硕士期间参与的科研项目及发表的论文  68

15kHz超声铸造振动系统设计及其试验研究

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