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超声激励的气体挤压膜线型导轨理论及实验研究

作　者: 魏彬
导　师: 马希直
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 气体挤压膜超声悬浮线型导轨耦合场压电陶瓷
分类号: TG375.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近场超声悬浮是一种基于气体挤压膜原理的新型支承方式,有着重要的应用前景,但到目前为止,其悬浮机理还没有完全被解释清楚。通过理论研究和实验分析阐述了超声波激励的挤压膜的特性。证明了超声激励的挤压膜具有较大的承载能力,能够支承自由悬浮的物体。压电气体挤压膜装置由压电堆、聚能装置、激励托盘、超声挤压膜、悬浮物体五部分构成,其工作机理涉及到电、固、气、声等多场的耦合作用。各元素的耦合特性决定着挤压膜的特性。本文首先建立了和模型相适应的气体挤压膜压力方程、压电换能器机电耦合方程、聚能器的振动方程、以及自由悬浮体的运动方程,确定了较为切合实际的各场定解问题的边界条件及初始条件。在此基础上,通过应用ANSYS软件和MATLAB程序对各控制方程进行了耦合求解。在数值求解过程中,通过挤压膜厚的变化将激励托盘和悬浮体联系起来,实现了各场的耦合作用。实验研究分为悬浮验证实验及线型导轨设计两部分。其中悬浮实验是对所做的理论研究结论的验证。包括压电堆的制作、聚能变幅杆的设计与加工,激励电源、位移传感器及放大器的选择与调试,传感器信号的数据采集与数据后处理。线型导轨是能够应用在生产实践领域的一种无摩擦或极少摩擦的承载运输装置,它利用压电陶瓷和弹性铰链产生的超声挤压膜具有承载能力,它是超声挤压膜悬浮理论应用的一种探索和实践。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-20
  1.1 气体轴承的特性  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-18
    1.2.1 理论模型的发展  14-17
    1.2.2 实验研究的进展  17-18
  1.3 研究方法和内容  18-20
第二章挤压膜理论与挤压膜模型  20-33
  2.1 气膜压力方程的建立  20-22
    2.1.1 直角坐标Reynolds 方程  21-22
    2.1.2 柱坐标Reynolds 方程的建立  22
  2.2 挤压膜模型  22-23
  2.3 圆盘挤压膜的特性分析  23-33
    2.3.1 活塞型圆盘超声挤压膜基础分析  23
    2.3.2 墙式活塞型超声挤压膜模型  23-28
    2.3.3 自由悬浮体超声挤压膜特性分析  28-30
    2.3.4 弯曲波驱动模式的数学模型  30-33
第三章超声挤压膜悬浮平台的理论分析  33-42
  3.1 超声挤压膜的流体动力润滑理论分析  33-36
    3.1.1 超声挤压膜悬浮平台的几何模型  33
    3.1.2 超声挤压膜悬浮平台的数学模型及分析过程  33-34
    3.1.3 超声气体挤压膜悬浮平台挤压膜特性分析  34-36
  3.2 悬浮现象的声学解释  36-42
    3.2.1 超声挤压膜悬浮平台的实验模型  36-37
    3.2.2 超声悬浮的ANSYS 求解方法  37-42
第四章近场超声悬浮导轨设计与分析  42-46
  4.1 线型气体轴承的 CATIA 模型  42
  4.2 线型气体轴承的数学模型  42-44
    4.2.1 线型气体轴承的控制方程  42-43
    4.2.2 边界条件和初始条件  43
    4.2.3 气膜特性计算流程  43-44
  4.3 线型气体轴承的 ANSYS 模拟  44-46
    4.3.1 模态分析  44
    4.3.2 电-固耦合的静态分析  44-45
    4.3.3 预应力谐响应分析  45-46
第五章近场超声悬浮平台的实验研究  46-67
  5.1 超声换能器的设计制作  46-56
    5.1.1 压电陶瓷材料  46-51
    5.1.2 压电堆的粘贴  51-52
    5.1.3 聚能器的设计与制作  52-55
    5.1.4 激振托盘与悬浮圆盘的制作与选择  55-56
  5.2 实验仪器与设备的选择  56-58
    5.2.1 信号源的选择  56
    5.2.2 数据采集设备的选择  56-57
    5.2.3 位移传感器的选择  57-58
  5.3 超声悬浮实验台总体设计  58-59
  5.4 实验的信号采集与数据处理  59-63
    5.4.1 MATLAB 数据采集  59-63
    5.4.2 MATLAB 数字滤波  63
  5.5 实验结果及分析  63-64
  5.6 线型导轨的实验设计  64-67
    5.6.1 线型气体轴承的制备工艺  65
    5.6.2 线型轨道的制备工艺  65
    5.6.3 理论及实验结果分析  65-67
第六章总结与展望  67-69
参考文献  69-71
致谢  71-72
在学期间发表的论文  72

超声激励的气体挤压膜线型导轨理论及实验研究

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