一種用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝置的方法
【專利摘要】用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝置的方法，包括分析對放大高頻振動(dòng)能量有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；對各個(gè)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(shí)驗(yàn)表；選取高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)；計(jì)算輸出振幅均勻性評價(jià)因子，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。本發(fā)明通過采用正交實(shí)驗(yàn)法結(jié)合有限元軟件的方法對高頻振動(dòng)能量放大裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠減少設(shè)計(jì)方案的數(shù)目和簡化求解的過程，提高設(shè)計(jì)的效率。
【專利說明】
-種用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)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(dòng)時(shí)效技術(shù)領(lǐng)域，特指一種用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝 置的方法。 技術(shù)背景
[0002] 傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)采用可調(diào)電機(jī)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(dá)到甚至超過1曲Z，同時(shí)可調(diào)電機(jī)較難裝夾小尺寸 構(gòu)件，運(yùn)些局限性都導(dǎo)致傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)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(jī)電系統(tǒng)殘余應(yīng)力的深入研究，傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的局限性越發(fā) 明顯。針對傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的局限性，何聞等學(xué)者提出了高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的設(shè)想， 即采用電磁振動(dòng)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(yàn)范圍更大，可W達(dá)到lOkHz。同時(shí)高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)能夠促使材料內(nèi)部微觀顆粒劇烈振 動(dòng)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(dòng)時(shí)效技術(shù)能夠?qū)π〕?寸構(gòu)件進(jìn)行安全的時(shí)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(dòng)臺高頻振動(dòng)時(shí)其激振臺面輸出的振幅較小，即高頻振動(dòng)能量較小，無法為小尺寸構(gòu)件提 供足夠大的動(dòng)應(yīng)力，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)一種振幅放大裝置已經(jīng)成為高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)領(lǐng)域中的 一項(xiàng)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(dòng)時(shí)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(shí)效技術(shù)(也稱為超高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)效技術(shù)的研究過程中也面臨著超 聲振動(dòng)能量較小的問題，為此超聲變幅桿(即超高頻振動(dòng)能量放大裝置)已經(jīng)成為超高頻振 動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成單元。對于激振頻率范圍為Ik化~lOkHz的高頻振動(dòng)時(shí)效技 術(shù)和激振頻率大于20kHz的超聲波時(shí)效技術(shù)可W統(tǒng)稱為高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)能量放大裝置。綜上所述我們可W發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種高頻振動(dòng)能量放大裝置 已經(jīng)成為高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)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(jì)方法，運(yùn)些方法都需要 建立高頻振動(dòng)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(jì)的效率。
[0004] 本發(fā)明提出一種用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝置的方法，即正交實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jì)的過程，能夠提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝置時(shí)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(jì)效率較低的不足，本發(fā)明提出一種用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振 動(dòng)能量放大裝置的方法，即采用正交實(shí)驗(yàn)法結(jié)合有限元軟件的方法對高頻振動(dòng)能量放大裝 置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0006] 用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)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(dòng)能量有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并將運(yùn)些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作 為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，即運(yùn)些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定決定了高頻振動(dòng)能量放大裝置放大高頻振 動(dòng)能量的效果，分別記為Fi(i = l，2,3,. . .，n)，即影響高頻振動(dòng)能量放大裝置放大高頻振 動(dòng)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(dòng)能量 有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的數(shù)量。
[0008] (2)、對各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)選擇相同數(shù)目的水平，即為各個(gè)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(gè)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(shí) 驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表來制定高頻振動(dòng)能量放大裝 置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
[0010] (4)、選取高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量 放大倍數(shù)。
[0012] (6)、計(jì)算輸出振幅均勻性評價(jià)因子，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
[0013] 所述的高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)包 括W下步驟：
[0016] (5.1)、首先建立高頻振動(dòng)能量放大裝置的Ξ維幾何模型，然后對Ξ維幾何模型進(jìn) 行網(wǎng)格的劃分，建立高頻振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)迫位移激勵(lì)函數(shù)，最后啟動(dòng)有限元軟件對各個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行諧響應(yīng)分析。
[0018] (5.3)、在高頻振動(dòng)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(dòng)能量放大裝置S2表面上的振動(dòng)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(gè)映射點(diǎn)。
[0019] (5.4)、獲取六個(gè)映射點(diǎn)上的振動(dòng)幅值A(chǔ)k化 = D，E，F(xiàn)，G，M，N)μm，求取每個(gè)映射點(diǎn)上 的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)
，其中Ain (μπι)為位移激勵(lì)函數(shù) 的幅值，然后求取六個(gè)映射點(diǎn)高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)的均值
申將均值< AF>作為高頻振動(dòng)能量放大裝置的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)。
[0020] 所述的強(qiáng)迫位移激勵(lì)函數(shù)為正弦激勵(lì)函數(shù)。
[0021 ]步驟(6)確定最優(yōu)的高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案按照高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)從 大到小的順序進(jìn)行排列，確定高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)排序前Ξ的3個(gè)設(shè)計(jì)方案。
[0023] ( 6 . 2 )、定義輸出振幅均勻性評價(jià)因子α，其表達(dá)式為
imax(AFk)為映射點(diǎn)中最大的高頻振動(dòng) 能量放大倍數(shù)、min(AFk)為映射點(diǎn)中最小的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)、k代表映射點(diǎn)、<AF> 為高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案的輸出振幅均勻性評價(jià)因子，其 中輸出振幅均勻性評價(jià)因子最小的設(shè)計(jì)方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
[0025] 所述的輸出振幅均勻性評價(jià)因子最小表明高頻振動(dòng)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(shí)驗(yàn)法結(jié)合有限元軟件的方法對高頻振動(dòng)能量放 大裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先通過正交實(shí)驗(yàn)法制定高頻振動(dòng)能量放大裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)，最 后計(jì)算輸出振幅均勻性評價(jià)因子，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：
[0028] 1、通過正交實(shí)驗(yàn)法能夠制定出高頻振動(dòng)能量放大裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，能夠優(yōu)化 設(shè)計(jì)出滿足高頻振動(dòng)時(shí)效要求的高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量放大 倍數(shù)，不再需要建立高頻振動(dòng)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(shí)驗(yàn)法結(jié)合有限元軟件的方法對高頻振動(dòng)能量放大裝置進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)，能夠減少設(shè)計(jì)方案的數(shù)目，提高設(shè)計(jì)的效率。
【附圖說明】
[0031 ]圖1優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝置的流程示意圖 [0032]圖2a局頻振動(dòng)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(lì)和路徑映射示意圖
[0036] 圖5方案2、方案5、方案9各映射點(diǎn)對應(yīng)的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)及其均值曲線圖
[0037] 圖6高頻振動(dòng)時(shí)效實(shí)驗(yàn)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(diǎn)示意圖
[0040] 圖8a高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)效處理前后試樣的y軸向殘余應(yīng)力測試結(jié)果
【具體實(shí)施方式】
[0042] 參照附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明：
[0043] 用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)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(dòng)能量有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并將運(yùn)些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作 為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，即運(yùn)些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定決定了高頻振動(dòng)能量放大裝置放大高頻振 動(dòng)能量的效果，分別記為Fi(i = l，2,3,. . .，n)，即影響高頻振動(dòng)能量放大裝置放大高頻振 動(dòng)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(dòng)能量 有影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的數(shù)量。
[0045] 具體的實(shí)施細(xì)節(jié)為：高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)采用電磁振動(dòng)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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)電磁振動(dòng)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(dòng)應(yīng)力較小，導(dǎo)致了高頻振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的效 果較差，設(shè)計(jì)了圖2a所示的高頻振動(dòng)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(dòng)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(dòng)能量放大裝置在電磁振動(dòng)臺作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)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(yùn)動(dòng)的位移為 y，上托臺簡諧運(yùn)動(dòng)的位移為X，則該模型的運(yùn)動(dòng)方程為
[0046] mx + CX + kx - cy + Αν (Π
[0047] 由線性振動(dòng)理論可知，在下底盤運(yùn)動(dòng)y(t)=Ysin(2時(shí)t)的激勵(lì)下，高頻振動(dòng)能量 放大裝置會(huì)產(chǎn)生與激勵(lì)相同頻率但相位角滯后與的簡諧振動(dòng)，即對幻=義sin(2;r/i+巧)。 采用復(fù)指數(shù)方法進(jìn)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(dòng)幅值的比值（即為振幅放大倍數(shù)，也 稱為高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù))為
[0化 2]
(4)
[0化3]式中：上托臺的振動(dòng)幅值為X、下底盤的振動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)振幅的放大，需滿足的條件為
[0059] 0 < Γ < V2 (7)
[0060] 高頻振動(dòng)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(shí)，振幅放大倍數(shù)ΧΛ大于1，表明上托臺的振動(dòng)幅值將大于下底 盤的振動(dòng)幅值，即電磁振動(dòng)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(shí)，振幅放大倍數(shù)Χ/?的取值越大，表明高頻振動(dòng)能量放大裝置放大電磁振動(dòng)臺輸出 的高頻振動(dòng)能量的效果越好;當(dāng)頻率比滿足r= 1時(shí)，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(jìn)一步推導(dǎo)出為實(shí)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(shí)代入方程(9)，可W推導(dǎo)出
(10)
[0065]
[0066] 式中：k、c、m均是獨(dú)立的變量，是影響高頻振動(dòng)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(jìn)一步減少優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)選擇相同數(shù)目的水平，即為各個(gè)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(gè)因素所具有的水平數(shù)量。
[0068] 各個(gè)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(shí) 驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表來制定高頻振動(dòng)能量放大裝 置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
[0072] 具體的實(shí)施細(xì)節(jié)為:考察Ξ個(gè)因素，每個(gè)因素考察Ξ個(gè)水平，所W選擇L9(34)正交 實(shí)驗(yàn)表，因此可W得出表2所示的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
[0073] 表2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及結(jié)果
[0074]
[0075] (4)、選取高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量 放大倍數(shù)。
[0077] 所述的高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)包 括W下步驟：
[0080] (5.1)、首先建立高頻振動(dòng)能量放大裝置的Ξ維幾何模型，然后對Ξ維幾何模型進(jìn) 行網(wǎng)格的劃分，建立高頻振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)迫位移激勵(lì)函數(shù)，最后啟動(dòng)有限元軟件對各個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行諧響應(yīng)分析。
[0082] (5.3)、在高頻振動(dòng)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(dòng)能量放大裝置S2表面上的振動(dòng)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(gè)映射點(diǎn)。
[0083] (5.4)、獲取六個(gè)映射點(diǎn)上的振動(dòng)幅值A(chǔ)k化 = D，E，F(xiàn)，G，M，N)μm，求取每個(gè)映射點(diǎn)上 的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)
其中Ain (μπι)為位移激勵(lì)函數(shù) 的幅值，然后求取六個(gè)映射點(diǎn)高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)的均值
申將均值< AF>作為高頻振動(dòng)能量放大裝置的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)。
[0084] 所述的強(qiáng)迫位移激勵(lì)函數(shù)為正弦激勵(lì)函數(shù)。
[0085] 根據(jù)上述的（5.1)-(5.4)的步驟對各個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元數(shù)值分析，可W得到 各個(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)，見表2。
[0086] (6)、計(jì)算輸出振幅均勻性評價(jià)因子，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
[0087] 步驟(6)確定最優(yōu)的高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案按照高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)從 大到小的順序進(jìn)行排列，確定高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)排序前Ξ的3個(gè)設(shè)計(jì)方案。
[0089] ( 6 . 2 )、定義輸出振幅均勻性評價(jià)因子α，其表達(dá)式為
，.max (AFk)為映射點(diǎn)中最大的高頻振動(dòng) 能量放大倍數(shù)、min(AFk)為映射點(diǎn)中最小的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)、k代表映射點(diǎn)、<AF> 為高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案的輸出振幅均勻性評價(jià)因子，其 中輸出振幅均勻性評價(jià)因子最小的設(shè)計(jì)方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
[0091] 所述的輸出振幅均勻性評價(jià)因子最小表明高頻振動(dòng)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(dòng)能量放大倍數(shù)分別為9.60、 7.30、7.59,相對于其它設(shè)計(jì)方案具有較好的放大高頻振動(dòng)能量的效果。方案2、方案5、方案 9各映射點(diǎn)對應(yīng)的高頻振動(dòng)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(jià)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(jià)因子最小，所W方案5為最優(yōu) 的設(shè)計(jì)方案。
[0093] 表3輸出振幅均勻性評價(jià)因子
[0094]
[0095] 按照方案5的結(jié)構(gòu)尺寸制造高頻振動(dòng)能量放大裝置，并組建圖6所示的高頻振動(dòng)時(shí) 效實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對圖7a所示的AISI 1045鋼澤火小尺寸試樣進(jìn)行高頻振動(dòng)時(shí)效處理，圖7b為殘 余應(yīng)力測點(diǎn)示意圖，其中應(yīng)變花1用于測試試樣高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)效處理后的殘余應(yīng)力。圖8a為高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(dòng)臺激振臺面上進(jìn)行高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)臺輸出的最大加速度振級），3#-1 試樣為安裝在高頻振動(dòng)能量放大裝置上進(jìn)行高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)能量放大裝置上進(jìn)行高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)能量放大裝置的應(yīng)用 能夠提高高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)能量)能夠提高高頻振動(dòng)時(shí)效消 除殘余應(yīng)力的效果；高頻振動(dòng)能量放大裝置的應(yīng)用提高了高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的應(yīng)用范圍； 高頻振動(dòng)能量放大裝置的應(yīng)用提高了高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)消除小尺寸構(gòu)件殘余應(yīng)力的效果； 高頻振動(dòng)能量放大裝置的應(yīng)用解決了高頻振動(dòng)時(shí)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(dòng)能量放大裝置除了放大電磁振動(dòng)臺的輸出振幅W外，還可W提高高頻振 動(dòng)時(shí)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(jìn)行高頻振動(dòng) 時(shí)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(jì)出滿足其實(shí)驗(yàn)要求的高頻 振動(dòng)能量放大裝置，同時(shí)高頻振動(dòng)能量放大裝置也是高頻振動(dòng)時(shí)效實(shí)驗(yàn)的工作臺面，如果 將小尺寸構(gòu)件直接安裝在電磁振動(dòng)臺的激振臺面上，高頻振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)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(dòng)臺激振臺面的螺紋連接失效，從而降低電磁振動(dòng)臺 的使用壽命，所W采用高頻振動(dòng)能量放大裝置作為高頻振動(dòng)時(shí)效的工作臺面可W提高電磁 振動(dòng)臺的使用壽命。因此高頻振動(dòng)能量放大裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)是高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)領(lǐng)域中的 一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本發(fā)明所提供的一種用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝置的方法能夠減少 設(shè)計(jì)方案的數(shù)目和簡化求解的過程，提高設(shè)計(jì)的效率。
[0097] 本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù) 范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)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(xiàng)】
1. 用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)能量放大裝置放大高頻振動(dòng)能 量的效果，分別記為FdiilJJ，...，n)，即影響高頻振動(dòng)能量放大裝置放大高頻振動(dòng)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(dòng)能量有影 響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的數(shù)量。 (2) 、對各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)選擇相同數(shù)目的水平，即為各個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表來制定高頻振動(dòng)能量放大裝置的 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。 (4) 、選取高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量放大 倍數(shù)。 (6 )、計(jì)算輸出振幅均勾性評價(jià)因子，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。2. 如權(quán)利要求1所述的用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)包括以下步驟： (5.1 )、首先建立高頻振動(dòng)能量放大裝置的三維幾何模型，然后對三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng) 格的劃分，建立高頻振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)迫位移激勵(lì)函數(shù)，最后啟動(dòng)有限元軟件對各個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行諧響應(yīng)分析。 (5.3) 、在高頻振動(dòng)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(dòng)能量放大裝置S2表面上的振動(dòng)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(gè)映射點(diǎn)。 (5.4) 、獲取六個(gè)映射點(diǎn)上的振動(dòng)幅值41{仏=〇3^，6，1^4111，求取每個(gè)映射點(diǎn)上的高 頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)> 其中Ain (μπι)為位移激勵(lì)函數(shù)的幅 值，然后求取六個(gè)映射點(diǎn)高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)的均值.> 并將均值<六?> 作為高頻振動(dòng)能量放大裝置的高頻振動(dòng)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(jì)高頻振動(dòng)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(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案按照高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)從大到 小的順序進(jìn)行排列，確定高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)排序前三的3個(gè)設(shè)計(jì)方案。 (6 . 2 )、定義輸出振幅均勻性評價(jià)因子α，其表達(dá)式為，max (AFk)為映射點(diǎn)中最大的高頻振動(dòng) 能量放大倍數(shù)、min(AFk)為映射點(diǎn)中最小的高頻振動(dòng)能量放大倍數(shù)、k代表映射點(diǎn)、<AF> 為高頻振動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)方案的輸出振幅均勻性評價(jià)因子，其中輸 出振幅均勻性評價(jià)因子最小的設(shè)計(jì)方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。4. 如權(quán)利要求1所述的用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝置的方法，其特征在于:所述 的高頻振動(dòng)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(jì)高頻振動(dòng)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(jì)高頻振動(dòng)能量放大裝置的方法，其特征在于:所述 的強(qiáng)迫位移激勵(lì)函數(shù)為正弦激勵(lì)函數(shù)。7. 如權(quán)利要求3所述的用于優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻振動(dòng)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(jià)因子最小表明高頻振動(dòng)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)