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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

作　者: 李齐文
导　师: 张立华
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
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
分类号: O426.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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ANSYS,建立铸造过程中20kHz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step和range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。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-21
  1.1 引言  8
  1.2 功率超声场应用于金属熔体处理  8-13
    1.2.1 超声振动对金属熔体处理技术的研究状况  8-10
    1.2.2 铝合金的超声半连续铸造  10-11
    1.2.3 超声对金属熔体的作用效果的研究  11-12
    1.2.4 超声对凝固组织的作用机制  12-13
  1.3 超声振动装置的研究进展  13-16
    1.3.1 超声换能器的研究进展  13-14
    1.3.2 超声波发生器的研究进展  14-15
    1.3.3 超声波发生器控制方案的研究进展  15-16
    1.3.4 变幅杆的研究进展  16
  1.4 超声振动系统的主要研究方法  16-19
    1.4.1 解析法  16-18
    1.4.2 等效网络法  18
    1.4.3 有限元法  18-19
  1.5 论文课题来源、研究意义及主要内容  19-21
    1.5.1 课题背景与来源  19
    1.5.2 研究意义与主要内容  19-21
第二章 超声振动系统的热模态分析  21-38
  2.1 引言  21
  2.2 热模态分析的理论基础  21-24
    2.2.1 热模态分析的原理  21-22
    2.2.2 瞬态热分析的理论  22-23
    2.2.3 热模态分析的流程  23-24
  2.3 超声振动系统模型的建立和仿真模拟  24-37
    2.3.1 问题的描述  24-25
    2.3.2 模型的建立  25-32
    2.3.3 谐响应分析  32-33
    2.3.4 节面位置随温度变化的情况  33-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章 铸造用超声波电源的频率跟踪功能的实现  38-53
  3.1 引言  38
  3.2 系统的整体设计  38-39
  3.3 频率跟踪的基本设计思路  39-43
    3.3.1 基于锁相环技术的相位跟踪方式及存在的问题  39-42
    3.3.2 频率跟踪新方案  42-43
  3.4 频率跟踪的实现  43-52
    3.4.1 电流采集的电路实现  43
    3.4.2 控制芯片  43-44
    3.4.3 逆变电路控制的实现  44-46
    3.4.4 频率跟踪软件的实现  46-52
      3.4.4.1 参数Step的确定  47-48
      3.4.4.2 参数Range的确定  48-52
  2.5 本章小结  52-53
第四章 超声振动系统的试验研究  53-60
  4.1 试验设备及过程  53-54
    4.1.1 实验设备  53
    4.1.2 实验过程描述  53-54
  4.2 实验室测试结果及分析  54-56
    4.2.1 超声波发生器的跟踪效果测试  54-56
    4.2.2 超声振动系统整体工作状况及其分析  56
  4.3 工业现场实验结果及分析  56-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章 全文总结及展望  60-61
  5.1 主要研究工作及结论  60
  5.2 研究中存在的问题及展望  60-61
参考文献  61-65
致谢  65-66
硕士期间参与的科研项目及发表的论文  66

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 声学 > 超声学 > 超声应用
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