一種用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法
【專利摘要】用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，包括分析對放大高頻振動能量有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；對各個結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)選擇相同數(shù)目的水平；根據(jù)因素水平的數(shù)量和因素的數(shù)量選取正交實驗表；選取高頻振動能量放大倍數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)；采用有限元軟件中的諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量放大倍數(shù)；計算輸出振幅均勻性評價因子，確定最優(yōu)設(shè)計方案。本發(fā)明通過采用正交實驗法結(jié)合有限元軟件的方法對高頻振動能量放大裝置進行優(yōu)化設(shè)計，能夠減少設(shè)計方案的數(shù)目和簡化求解的過程，提高設(shè)計的效率。
【專利說明】
-種用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及高頻振動時效技術(shù)領(lǐng)域，特指一種用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝 置的方法。 技術(shù)背景
[0002] 傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)采用可調(diào)電機作為激振裝置，其激振頻率一般低于200Hz， 然而小尺寸構(gòu)件的第一階共振頻率可W達到甚至超過1曲Z，同時可調(diào)電機較難裝夾小尺寸 構(gòu)件，運些局限性都導(dǎo)致傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)無法有效的消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力， 尤其是隨著對MEMS微機電系統(tǒng)殘余應(yīng)力的深入研究，傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)的局限性越發(fā) 明顯。針對傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)的局限性，何聞等學(xué)者提出了高頻振動時效技術(shù)的設(shè)想， 即采用電磁振動臺作為激振裝置，此裝置能夠很容易的裝夾小尺寸構(gòu)件，且其激振頻率的 試驗范圍更大，可W達到lOkHz。同時高頻振動時效技術(shù)能夠促使材料內(nèi)部微觀顆粒劇烈振 動到平衡位置，且小尺寸構(gòu)件的宏觀變形量也非常小。因此，高頻振動時效技術(shù)能夠?qū)π〕?寸構(gòu)件進行安全的時效處理，尤其適用于消除MEMS等小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力。然而電磁振 動臺高頻振動時其激振臺面輸出的振幅較小，即高頻振動能量較小，無法為小尺寸構(gòu)件提 供足夠大的動應(yīng)力，因此優(yōu)化設(shè)計一種振幅放大裝置已經(jīng)成為高頻振動時效技術(shù)領(lǐng)域中的 一項關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 除了激振頻率范圍為化化~10曲Z的高頻振動時效技術(shù)能夠有效的消除小尺寸構(gòu) 件的殘余應(yīng)力，還有激振頻率大于20kHz的超聲波時效技術(shù)(也稱為超高頻振動時效技術(shù)） 能夠用于消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力。然而超高頻振動時效技術(shù)的研究過程中也面臨著超 聲振動能量較小的問題，為此超聲變幅桿(即超高頻振動能量放大裝置)已經(jīng)成為超高頻振 動時效系統(tǒng)中的一個重要組成單元。對于激振頻率范圍為Ik化~lOkHz的高頻振動時效技 術(shù)和激振頻率大于20kHz的超聲波時效技術(shù)可W統(tǒng)稱為高頻振動時效技術(shù)，能夠用于消除 小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力。從能量放大的角度來看，可W將振幅放大裝置和超聲變幅桿統(tǒng)稱 為高頻振動能量放大裝置。綜上所述我們可W發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計一種高頻振動能量放大裝置 已經(jīng)成為高頻振動時效技術(shù)領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計高頻振動能量放 大裝置所采用的方法主要包括等效電路法、傳輸矩陣法等傳統(tǒng)設(shè)計方法，運些方法都需要 建立高頻振動能量放大裝置的數(shù)學(xué)模型，且求解過程相當(dāng)復(fù)雜，降低了設(shè)計的效率。
[0004] 本發(fā)明提出一種用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，即正交實驗法結(jié)合 有限元軟件的方法，該方法不再需要建立高頻振動能量放大裝置的數(shù)學(xué)模型，求解過程完 全采用數(shù)值分析的方法，簡化了優(yōu)化設(shè)計的過程，能夠提高優(yōu)化設(shè)計的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有設(shè)計方法設(shè)計高頻振動能量放大裝置時需要建立放大裝置的數(shù)學(xué) 模型，求解過程相當(dāng)復(fù)雜W及設(shè)計效率較低的不足，本發(fā)明提出一種用于優(yōu)化設(shè)計高頻振 動能量放大裝置的方法，即采用正交實驗法結(jié)合有限元軟件的方法對高頻振動能量放大裝 置進行優(yōu)化設(shè)計。
[0006] 用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，包括W下步驟：
[0007] (1)、分析對放大高頻振動能量有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并將運些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作 為優(yōu)化設(shè)計的變量，即運些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定決定了高頻振動能量放大裝置放大高頻振 動能量的效果，分別記為Fi(i = l，2,3,. . .，n)，即影響高頻振動能量放大裝置放大高頻振 動能量的主要因素為Fi(i = l，2,3,. . .，n)，其中η為正整數(shù)，用于表示對放大高頻振動能量 有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的數(shù)量。
[0008] (2)、對各個結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)選擇相同數(shù)目的水平，即為各個因素選擇相同數(shù)目的水 平，分別記為j = l，2,3,. . .，m)，其中m為正整數(shù)，用于表示各個因素所具有的水平數(shù)量。
[0009] (3)、首先根據(jù)需要考察的因素水平的數(shù)量來選擇滿足該水平數(shù)量的一類正交實 驗表，然后根據(jù)考察的因素的數(shù)量選定具體的一張正交實驗表來制定高頻振動能量放大裝 置的優(yōu)化設(shè)計方案。
[0010] (4)、選取高頻振動能量放大倍數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。
[0011] (5)、采用有限元軟件中的諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量 放大倍數(shù)。
[0012] (6)、計算輸出振幅均勻性評價因子，確定最優(yōu)設(shè)計方案。
[0013] 所述的高頻振動能量放大倍數(shù)為振幅放大倍數(shù)。
[0014] 所述的有限元軟件為ANSYS有限元軟件。
[0015] 步驟(5)中采用諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量放大倍數(shù)包 括W下步驟：
[0016] (5.1)、首先建立高頻振動能量放大裝置的Ξ維幾何模型，然后對Ξ維幾何模型進 行網(wǎng)格的劃分，建立高頻振動能量放大裝置的Ξ維有限元模型，最后設(shè)置材料的性能參數(shù) 值。
[0017] (5.2)、首先在高頻振動能量放大裝置與激振裝置相互接觸的表面S1上施加 X和Y 方向的位移約束，然后在高頻振動能量放大裝置與激振裝置相互接觸的表面S1上施加 Z方 向的強迫位移激勵函數(shù)，最后啟動有限元軟件對各個優(yōu)化設(shè)計方案進行諧響應(yīng)分析。
[0018] (5.3)、在高頻振動能量放大裝置上安裝待消除殘余應(yīng)力的小尺寸構(gòu)件的表面S2 上定義映射路徑DN，將高頻振動能量放大裝置S2表面上的振動幅值數(shù)據(jù)映射到路徑DN上， 并在路徑DN上均勻的設(shè)置了D、E、F、G、M、N六個映射點。
[0019] (5.4)、獲取六個映射點上的振動幅值A(chǔ)k化 = D，E，F(xiàn)，G，M，N)μm，求取每個映射點上 的高頻振動能量放大倍數(shù)
，其中Ain (μπι)為位移激勵函數(shù) 的幅值，然后求取六個映射點高頻振動能量放大倍數(shù)的均值
申將均值< AF>作為高頻振動能量放大裝置的高頻振動能量放大倍數(shù)。
[0020] 所述的強迫位移激勵函數(shù)為正弦激勵函數(shù)。
[0021 ]步驟(6)確定最優(yōu)的高頻振動能量放大裝置包括W下步驟：
[0022] (6.1)、根據(jù)步驟(5)的分析結(jié)果，將各個設(shè)計方案按照高頻振動能量放大倍數(shù)從 大到小的順序進行排列，確定高頻振動能量放大倍數(shù)排序前Ξ的3個設(shè)計方案。
[0023] ( 6 . 2 )、定義輸出振幅均勻性評價因子α，其表達式為
imax(AFk)為映射點中最大的高頻振動 能量放大倍數(shù)、min(AFk)為映射點中最小的高頻振動能量放大倍數(shù)、k代表映射點、<AF> 為高頻振動能量放大倍數(shù)的均值。
[0024] (6.3)、分別求解步驟(6.1)中確定的3個設(shè)計方案的輸出振幅均勻性評價因子，其 中輸出振幅均勻性評價因子最小的設(shè)計方案為最優(yōu)設(shè)計方案。
[0025] 所述的輸出振幅均勻性評價因子最小表明高頻振動能量放大裝置輸出的振幅最 均勻，最有利于均化試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力。
[0026] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是:通過正交實驗法結(jié)合有限元軟件的方法對高頻振動能量放 大裝置進行優(yōu)化設(shè)計，首先通過正交實驗法制定高頻振動能量放大裝置的優(yōu)化設(shè)計方案， 然后采用有限元軟件的諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量放大倍數(shù)，最 后計算輸出振幅均勻性評價因子，確定最優(yōu)設(shè)計方案。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：
[0028] 1、通過正交實驗法能夠制定出高頻振動能量放大裝置的優(yōu)化設(shè)計方案，能夠優(yōu)化 設(shè)計出滿足高頻振動時效要求的高頻振動能量放大裝置。
[0029] 2、采用有限元軟件的諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量放大 倍數(shù)，不再需要建立高頻振動能量放大裝置的數(shù)學(xué)模型，且求解過程完全采用有限元數(shù)值 分析的方法，能夠簡化求解的過程。
[0030] 3、通過采用正交實驗法結(jié)合有限元軟件的方法對高頻振動能量放大裝置進行優(yōu) 化設(shè)計，能夠減少設(shè)計方案的數(shù)目，提高設(shè)計的效率。
【附圖說明】
[0031 ]圖1優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的流程示意圖 [0032]圖2a局頻振動能量放大裝置的不意圖
[0033] 圖化雙質(zhì)量-彈黃阻尼模型
[0034] 圖3振幅放大倍數(shù)曲線
[0035] 圖4位移約束、正弦激勵和路徑映射示意圖
[0036] 圖5方案2、方案5、方案9各映射點對應(yīng)的高頻振動能量放大倍數(shù)及其均值曲線圖
[0037] 圖6高頻振動時效實驗系統(tǒng)示意圖
[0038] 圖7a AISI 1045鋼澤火小尺寸試樣示意圖
[0039] 圖7b殘余應(yīng)力測點示意圖
[0040] 圖8a高頻振動時效處理前后試樣的X軸向殘余應(yīng)力測試結(jié)果
[0041] 圖8b高頻振動時效處理前后試樣的y軸向殘余應(yīng)力測試結(jié)果
【具體實施方式】
[0042] 參照附圖，進一步說明本發(fā)明：
[0043] 用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，包括W下步驟：
[0044] (1)、分析對放大高頻振動能量有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并將運些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作 為優(yōu)化設(shè)計的變量，即運些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定決定了高頻振動能量放大裝置放大高頻振 動能量的效果，分別記為Fi(i = l，2,3,. . .，n)，即影響高頻振動能量放大裝置放大高頻振 動能量的主要因素為Fi(i = l，2,3,. . .，n)，其中η為正整數(shù)，用于表示對放大高頻振動能量 有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的數(shù)量。
[0045] 具體的實施細節(jié)為：高頻振動時效技術(shù)采用電磁振動臺作為激振裝置，其激振臺 面的輸出振級（即加速度振級)a = 43i2f2A。當(dāng)高頻振動時效的激振頻率f確定后，輸出振級取 決于激振臺面的輸出振幅A。然而高頻振動時電磁振動臺激振臺面的輸出振幅較小，即作用 在待消除殘余應(yīng)力的小尺寸構(gòu)件上的動應(yīng)力較小，導(dǎo)致了高頻振動時效消除殘余應(yīng)力的效 果較差，設(shè)計了圖2a所示的高頻振動能量放大裝置，該放大裝置由安裝待消除殘余應(yīng)力的 小尺寸構(gòu)件的上托臺、固定在電磁振動臺激振臺面上的下底盤、W及連接上托臺和下底盤 的連桿組成。高頻振動能量放大裝置在電磁振動臺作用下的強迫振動的理論模型如圖化所 示，該模型屬于雙質(zhì)量-彈黃阻尼模型，其中連桿等效為剛度k的彈性元件及阻尼元件C，上 托臺等效為集中質(zhì)量元件m，下底盤等效為集中質(zhì)量元件M。假設(shè)下底盤簡諧運動的位移為 y，上托臺簡諧運動的位移為X，則該模型的運動方程為
[0046] mx + CX + kx - cy + Αν (Π
[0047] 由線性振動理論可知，在下底盤運動y(t)=Ysin(2時t)的激勵下，高頻振動能量 放大裝置會產(chǎn)生與激勵相同頻率但相位角滯后與的簡諧振動，即對幻=義sin(2;r/i+巧)。 采用復(fù)指數(shù)方法進行求解，用化替代Ysin(如ft),用藏何'替代Xsin(2;r/iM-麵，玄 中包含振幅X和相位角界的信息。將和支ep。"代入方程(1)，得
[004引
[0049] 由方程(2)可W推導(dǎo)出
[0050]
(3)
[0051] 由方程(3)可W推導(dǎo)出上托臺與下底盤的振動幅值的比值（即為振幅放大倍數(shù)，也 稱為高頻振動能量放大倍數(shù))為
[0化 2]
(4)
[0化3]式中：上托臺的振動幅值為X、下底盤的振動幅值為Y、阻尼比
1頻率比
[0054] 根據(jù)方程(4)，可W推導(dǎo)出振幅放大倍數(shù)為
[0055]
(詞
[0056] 為實現(xiàn)振幅的放大，需滿足如下條件
[0057] r4-化2<〇 (6)
[0058] 即為了實現(xiàn)振幅的放大，需滿足的條件為
[0059] 0 < Γ < V2 (7)
[0060] 高頻振動能量放大裝置的振幅放大倍數(shù)ΧΛ曲線如圖3所示。當(dāng)阻尼比ξ為小于0.7 的常數(shù)且頻率比0 < Γ < 時，振幅放大倍數(shù)ΧΛ大于1，表明上托臺的振動幅值將大于下底 盤的振動幅值，即電磁振動臺的輸出振幅得到了放大；當(dāng)外部的激振頻率越接近模型的共 振頻率時，振幅放大倍數(shù)Χ/?的取值越大，表明高頻振動能量放大裝置放大電磁振動臺輸出 的高頻振動能量的效果越好;當(dāng)頻率比滿足r= 1時，振幅放大倍數(shù)取得最大值。根據(jù)振幅放 大條件(7)與可W進一步推導(dǎo)出為實現(xiàn)振幅放大需滿足的條件為 J η
[0061 ]
(8)
[0062] 將fn代入方程(8)，可W得到
[0063]
餅[0064] 將C與時代入方程(9)，可W推導(dǎo)出
(10)
[0065]
[0066] 式中：k、c、m均是獨立的變量，是影響高頻振動能量放大倍數(shù)的主要因素。上托臺 質(zhì)量m由其直徑與厚度決定，為了進一步減少優(yōu)化設(shè)計方案的數(shù)目，只考慮厚度影響其質(zhì) 量，而直徑固定為0.1m，能夠安裝下待消除殘余應(yīng)力的小尺寸構(gòu)件與傳感器。連桿剛度k與 阻尼C由其長度與直徑?jīng)Q定，因此影響高頻振動能量放大倍數(shù)的主要因素為連桿的長度、直 徑W及上托臺的厚度，分別記為A、B、C。
[0067] (2)、對各個結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)選擇相同數(shù)目的水平，即為各個因素選擇相同數(shù)目的水 平，分別記為j = l，2,3,. . .，m)，其中m為正整數(shù)，用于表示各個因素所具有的水平數(shù)量。
[0068] 各個因素選擇的水平見表1。
[0069] 表1因素水平表
[0070]
[0071] (3)、首先根據(jù)需要考察的因素水平的數(shù)量來選擇滿足該水平數(shù)量的一類正交實 驗表，然后根據(jù)考察的因素的數(shù)量選定具體的一張正交實驗表來制定高頻振動能量放大裝 置的優(yōu)化設(shè)計方案。
[0072] 具體的實施細節(jié)為:考察Ξ個因素，每個因素考察Ξ個水平，所W選擇L9(34)正交 實驗表，因此可W得出表2所示的優(yōu)化設(shè)計方案。
[0073] 表2優(yōu)化設(shè)計方案及結(jié)果
[0074]
[0075] (4)、選取高頻振動能量放大倍數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。
[0076] (5)、采用有限元軟件中的諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量 放大倍數(shù)。
[0077] 所述的高頻振動能量放大倍數(shù)為振幅放大倍數(shù)。
[0078] 所述的有限元軟件為ANSYS有限元軟件。
[0079] 步驟(5)中采用諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量放大倍數(shù)包 括W下步驟：
[0080] (5.1)、首先建立高頻振動能量放大裝置的Ξ維幾何模型，然后對Ξ維幾何模型進 行網(wǎng)格的劃分，建立高頻振動能量放大裝置的Ξ維有限元模型，最后設(shè)置材料的性能參數(shù) 值。
[0081] (5.2)、首先在高頻振動能量放大裝置與激振裝置相互接觸的表面S1上施加 X和Y 方向的位移約束，然后在高頻振動能量放大裝置與激振裝置相互接觸的表面S1上施加 Z方 向的強迫位移激勵函數(shù)，最后啟動有限元軟件對各個優(yōu)化設(shè)計方案進行諧響應(yīng)分析。
[0082] (5.3)、在高頻振動能量放大裝置上安裝待消除殘余應(yīng)力的小尺寸構(gòu)件的表面S2 上定義映射路徑DN，將高頻振動能量放大裝置S2表面上的振動幅值數(shù)據(jù)映射到路徑DN上， 并在路徑DN上均勻的設(shè)置了D、E、F、G、M、N六個映射點。
[0083] (5.4)、獲取六個映射點上的振動幅值A(chǔ)k化 = D，E，F(xiàn)，G，M，N)μm，求取每個映射點上 的高頻振動能量放大倍數(shù)
其中Ain (μπι)為位移激勵函數(shù) 的幅值，然后求取六個映射點高頻振動能量放大倍數(shù)的均值
申將均值< AF>作為高頻振動能量放大裝置的高頻振動能量放大倍數(shù)。
[0084] 所述的強迫位移激勵函數(shù)為正弦激勵函數(shù)。
[0085] 根據(jù)上述的（5.1)-(5.4)的步驟對各個設(shè)計方案進行有限元數(shù)值分析，可W得到 各個設(shè)計方案的高頻振動能量放大倍數(shù)，見表2。
[0086] (6)、計算輸出振幅均勻性評價因子，確定最優(yōu)設(shè)計方案。
[0087] 步驟(6)確定最優(yōu)的高頻振動能量放大裝置包括W下步驟：
[0088] (6.1)、根據(jù)步驟(5)的分析結(jié)果，將各個設(shè)計方案按照高頻振動能量放大倍數(shù)從 大到小的順序進行排列，確定高頻振動能量放大倍數(shù)排序前Ξ的3個設(shè)計方案。
[0089] ( 6 . 2 )、定義輸出振幅均勻性評價因子α，其表達式為
，.max (AFk)為映射點中最大的高頻振動 能量放大倍數(shù)、min(AFk)為映射點中最小的高頻振動能量放大倍數(shù)、k代表映射點、<AF> 為高頻振動能量放大倍數(shù)的均值。
[0090] (6.3)、分別求解步驟(6.1)中確定的3個設(shè)計方案的輸出振幅均勻性評價因子，其 中輸出振幅均勻性評價因子最小的設(shè)計方案為最優(yōu)設(shè)計方案。
[0091] 所述的輸出振幅均勻性評價因子最小表明高頻振動能量放大裝置輸出的振幅最 均勻，最有利于均化試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力。
[0092] 從表2中可W發(fā)現(xiàn)，方案2、方案5、方案9的高頻振動能量放大倍數(shù)分別為9.60、 7.30、7.59,相對于其它設(shè)計方案具有較好的放大高頻振動能量的效果。方案2、方案5、方案 9各映射點對應(yīng)的高頻振動能量放大倍數(shù)及其均值如圖5所示。求解出的輸出振幅均勻性評 價因子見表3。從表3中可W發(fā)現(xiàn)，方案5的輸出振幅均勻性評價因子最小，所W方案5為最優(yōu) 的設(shè)計方案。
[0093] 表3輸出振幅均勻性評價因子
[0094]
[0095] 按照方案5的結(jié)構(gòu)尺寸制造高頻振動能量放大裝置，并組建圖6所示的高頻振動時 效實驗系統(tǒng)，對圖7a所示的AISI 1045鋼澤火小尺寸試樣進行高頻振動時效處理，圖7b為殘 余應(yīng)力測點示意圖，其中應(yīng)變花1用于測試試樣高頻振動時效處理前的殘余應(yīng)力，應(yīng)變花2 用于測試試樣高頻振動時效處理后的殘余應(yīng)力。圖8a為高頻振動時效處理前后小尺寸試樣 的X軸向殘余應(yīng)力測試結(jié)果，圖8b為高頻振動時效處理前后小尺寸試樣的y軸向殘余應(yīng)力測 試結(jié)果。圖8a和圖8b中2#試樣為直接安裝在電磁振動臺激振臺面上進行高頻振動時效處理 的試樣(加速度振級為60g，該加速度振級數(shù)值為電磁振動臺輸出的最大加速度振級），3#-1 試樣為安裝在高頻振動能量放大裝置上進行高頻振動時效處理的試樣（加速度振級為 120g)，3#-2試樣為安裝在高頻振動能量放大裝置上進行高頻振動時效處理的試樣(加速度 振級為180g)。從圖8a和圖8b所示的殘余應(yīng)力測試結(jié)果可見，高頻振動能量放大裝置的應(yīng)用 能夠提高高頻振動時效消除殘余應(yīng)力的效果;提高作用在試樣上的加速度振級（即提高作 用在試樣上的振幅，也就是提高作用在試樣上的高頻振動能量)能夠提高高頻振動時效消 除殘余應(yīng)力的效果；高頻振動能量放大裝置的應(yīng)用提高了高頻振動時效技術(shù)的應(yīng)用范圍； 高頻振動能量放大裝置的應(yīng)用提高了高頻振動時效技術(shù)消除小尺寸構(gòu)件殘余應(yīng)力的效果； 高頻振動能量放大裝置的應(yīng)用解決了高頻振動時效消除小尺寸構(gòu)件殘余應(yīng)力效果較差的 難題。
[0096] 高頻振動能量放大裝置除了放大電磁振動臺的輸出振幅W外，還可W提高高頻振 動時效系統(tǒng)的通用性和使用壽命。對于不同的待消除殘余應(yīng)力的小尺寸構(gòu)件進行高頻振動 時效處理，根據(jù)小尺寸構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布情況，優(yōu)化設(shè)計出滿足其實驗要求的高頻 振動能量放大裝置，同時高頻振動能量放大裝置也是高頻振動時效實驗的工作臺面，如果 將小尺寸構(gòu)件直接安裝在電磁振動臺的激振臺面上，高頻振動時效處理時不斷更換小尺寸 構(gòu)件，容易使構(gòu)件夾持裝置與電磁振動臺激振臺面的螺紋連接失效，從而降低電磁振動臺 的使用壽命，所W采用高頻振動能量放大裝置作為高頻振動時效的工作臺面可W提高電磁 振動臺的使用壽命。因此高頻振動能量放大裝置的優(yōu)化設(shè)計是高頻振動時效技術(shù)領(lǐng)域中的 一項關(guān)鍵技術(shù)。本發(fā)明所提供的一種用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法能夠減少 設(shè)計方案的數(shù)目和簡化求解的過程，提高設(shè)計的效率。
[0097] 本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護 范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù) 人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【主權(quán)項】
1. 用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，包括以下步驟： (1) 、分析對放大高頻振動能量有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并將這些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作為優(yōu) 化設(shè)計的變量，即這些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定決定了高頻振動能量放大裝置放大高頻振動能 量的效果，分別記為FdiilJJ，...，n)，即影響高頻振動能量放大裝置放大高頻振動能 量的主要因素為巧（1 = 1，2,3, . . .，n)，其中η為正整數(shù)，用于表示對放大高頻振動能量有影 響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的數(shù)量。 (2) 、對各個結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)選擇相同數(shù)目的水平，即為各個因素選擇相同數(shù)目的水平， 分別記為j = l，2,3,. . .，m)，其中m為正整數(shù)，用于表示各個因素所具有的水平數(shù)量。 (3) 、首先根據(jù)需要考察的因素水平的數(shù)量來選擇滿足該水平數(shù)量的一類正交實驗表， 然后根據(jù)考察的因素的數(shù)量選定具體的一張正交實驗表來制定高頻振動能量放大裝置的 優(yōu)化設(shè)計方案。 (4) 、選取高頻振動能量放大倍數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。 (5) 、采用有限元軟件中的諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量放大 倍數(shù)。 (6 )、計算輸出振幅均勾性評價因子，確定最優(yōu)設(shè)計方案。2. 如權(quán)利要求1所述的用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，其特征在于:步驟 (5) 中采用諧響應(yīng)分析功能來獲取各個設(shè)計方案的高頻振動能量放大倍數(shù)包括以下步驟： (5.1 )、首先建立高頻振動能量放大裝置的三維幾何模型，然后對三維幾何模型進行網(wǎng) 格的劃分，建立高頻振動能量放大裝置的三維有限元模型，最后設(shè)置材料的性能參數(shù)值。 (5.2) 、首先在高頻振動能量放大裝置與激振裝置相互接觸的表面S1上施加 X和Y方向 的位移約束，然后在高頻振動能量放大裝置與激振裝置相互接觸的表面S1上施加 Z方向的 強迫位移激勵函數(shù)，最后啟動有限元軟件對各個優(yōu)化設(shè)計方案進行諧響應(yīng)分析。 (5.3) 、在高頻振動能量放大裝置上安裝待消除殘余應(yīng)力的小尺寸構(gòu)件的表面S2上定 義映射路徑DN，將高頻振動能量放大裝置S2表面上的振動幅值數(shù)據(jù)映射到路徑DN上，并在 路徑DN上均勻的設(shè)置了D、E、F、G、M、N六個映射點。 (5.4) 、獲取六個映射點上的振動幅值41{仏=〇3^，6，1^4111，求取每個映射點上的高 頻振動能量放大倍數(shù)> 其中Ain (μπι)為位移激勵函數(shù)的幅 值，然后求取六個映射點高頻振動能量放大倍數(shù)的均值.> 并將均值<六?> 作為高頻振動能量放大裝置的高頻振動能量放大倍數(shù)。3. 如權(quán)利要求1所述的用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，其特征在于:步驟 (6) 確定最優(yōu)的高頻振動能量放大裝置包括以下步驟： (6.1)、根據(jù)步驟(5)的分析結(jié)果，將各個設(shè)計方案按照高頻振動能量放大倍數(shù)從大到 小的順序進行排列，確定高頻振動能量放大倍數(shù)排序前三的3個設(shè)計方案。 (6 . 2 )、定義輸出振幅均勻性評價因子α，其表達式為，max (AFk)為映射點中最大的高頻振動 能量放大倍數(shù)、min(AFk)為映射點中最小的高頻振動能量放大倍數(shù)、k代表映射點、<AF> 為高頻振動能量放大倍數(shù)的均值。 (6.3)、分別求解步驟(6.1)中確定的3個設(shè)計方案的輸出振幅均勻性評價因子，其中輸 出振幅均勻性評價因子最小的設(shè)計方案為最優(yōu)設(shè)計方案。4. 如權(quán)利要求1所述的用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，其特征在于:所述 的高頻振動能量放大倍數(shù)為振幅放大倍數(shù)。5. 如權(quán)利要求1所述的用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，其特征在于:所述 的有限元軟件為ANSYS有限元軟件。6. 如權(quán)利要求2所述的用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，其特征在于:所述 的強迫位移激勵函數(shù)為正弦激勵函數(shù)。7. 如權(quán)利要求3所述的用于優(yōu)化設(shè)計高頻振動能量放大裝置的方法，其特征在于:所述 的輸出振幅均勻性評價因子最小表明高頻振動能量放大裝置輸出的振幅最均勻，最有利于 均化試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力。
【文檔編號】G06F17/50GK105825029SQ201610202310
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】顧邦平, 梅瀟, 楊振生, 賴金濤, 張帆
【申請人】上海海事大學(xué)