Page 64 - 《应用声学》2023年第4期

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表 1 材料特征参数 采用Mode Superpos’n方法对整个超声雾化喷
Table 1 The material characteristic pa- 嘴进行谐响应分析，并观察输出端面上 1688# 节点
rameters 的谐响应特性，如图9所示。

材料 密度/(kg·m −3 ) 杨氏模量/GPa 泊松比 声速/(m·s −1 ) PATH=1
VALUE=1 MAR 2 2022
17:16:17
40Cr 7.85 211 0.27 5184 PLOT NO.1
7075 2.81 71 0.33 5027
PZT8 7.51 112 0.3 3861

3.1 动力学分析
#
超声雾化喷嘴各段半径参数分别设为：R =
5
#
3 mm、R 8 = R ′ 8 = 10 mm、R 6 = 1.25 mm、
R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R 6 = 19 mm、R 5 = 6 mm。
−3.189 −2.481 −1.773 −1.064 −0.356384 −0.351701 1.06 1.768 2.476 3.184
之后，依据作者前期研究工作所提出的方法对 Model asm0112
频率方程 (3)、方程 (4)、方程 (8) 进行求解。由此 图 8 超声雾化喷嘴的振动模式
可以获得，前 1/4λ 带中心孔换能器各段长度为： Fig. 8 The vibration mode of ultrasonic atomizer
L 1 = 15.23 mm、L 2 = 24 mm；后1/4λ 带中心孔换
能器各段长度为：L 3 = 30 mm、L 4 = 4.15 mm；复 POST26 MAR 2 2022
AMPLITUDE 17:38:05
PLOT NO.1
合变幅杆各段段长度为 L 6 = 5 mm、L 7 = 10 mm、 2.0
L 8 = 122.35 mm；法兰设置在前端盖 L 3 的外圆面 1.8
1.6
上，外径70 mm，厚度8 mm。 1.4
依据上述参数，利用三维建模软件和有限元分 ૝ࣨ/(10 -7 m) 1.2
1.0
析软件对超声雾化喷嘴进行建模和模态分析，如 0.8
0.6
图 7 所示。其中，压电陶瓷 PZT8 采用三维耦合场 0.4
体单元 SOLID5，扫略法划分网格，网格数目为 450； 0.2
0
40Cr 与 7075 铝合金采用 SOLID95 单元类型，自由 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
ᮠဋ/kHz
法划分网格，网格数目为17278。应用有限元分析软 Model asm0112
件中的Path Operations功能，获得沿超声雾化喷嘴 图 9 谐响应曲线
轴线路径上各质点的位移分布情况 (即：振动模式)， Fig. 9 Harmonic response curve
如图 8所示。
由图7∼ 9中内容可知，超声雾化喷嘴的理论计

NODAL SOLUTION 算频率为24908 Hz，相对于系统设计频率25 kHz的
MAR 2 2022
STEP=1
SUB=6 17:01:43
FREQ=24908 PLOT NO. 1 偏差率在 6‰ 以内；超声雾化喷嘴满足全波长纵向
USUM (AVG)
RSYS=0
DMX=3.262 振动模式。
SMN=0.044114
SMX=3.262
3.2 流场特性分析
应用流体仿真分析软件对超声雾化喷嘴作用
前后，砂轮 -工件周围的气体流场进行计算分析，结
果如图 10 所示。流体仿真分析各参数分别为：砂
轮直径 350 mm，粗糙度为 0.5 mm，旋转速度为
0.044114 0.4014642 0.75917 1.117 1.474 1.832 2.189 2.547 2.904 3.262
150 rad/s；雾化头直径为 20 mm；砂轮 -工件间隙
MODEL ASM0112
图 7 超声雾化喷嘴的模态 为 0.1 mm；设定砂轮 -工件之间的流场特性满足
Fig. 7 The mode of ultrasonic atomizer k-epsilon模型；雾滴进行类风处理。