Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшая задача, которая стоит перед обществом в настоящее время - это создание новых и совершенствование существующих технологий для удовлетворения растущих потребностей промышленного производства и потребителей. С момента своего появления в середине XX века ультразвуковые (УЗ) технологии, основанные на использовании энергии УЗ колебаний, почти сразу заняли прочное место среди «интеллектуальных» или «высоких» технологий, так как позволили интенсифицировать, усовершенствовать большое количество технологических процессов при помощи оборудования, которое не требует специальных условий применения, характеризуется небольшими массогабаритными показателями, малым энергопотреблением и достаточно высоким КПД.
Рассматривая предпосылки использования мощных УЗ колебаний для воздействия на среду, следует отметить, что УЗ колебания являются средством активного воздействия на тепло- и массообменные процессы в жидкости, на структуру и свойства твердых тел. Это воздействие связано с развитием таких эффектов как кавитация, акустические потоки, многократное ускорение диффузии, локальный нагрев и др., возникающих в среде при распространении ультразвука. Для воздействия на вещество обычно применяются колебания интенсивностью более 0.1 Вт/см2. Результатом применения ультразвуковых технологий является существенное улучшение качества получаемых продуктов, снижение трудоемкости и энергоемкости, сокращение времени технологических процессов. Более того, иногда применение ультразвука - это единственное возможное решение поставленной производственной задачи.
Успешное применение ультразвуковой техники и технологии требует использования сложных волноводных инструментов, проектирование которых является достаточно трудной задачей. Чем более высокие требования предъявляются к технологическому процессу, тем сложнее форма излучающего волновода.
Для относительно простых стержневых систем, поперечный размер которых много меньше полудлины волны в материале волновода, существуют аналитические модели, однако при добавлении в их конструкцию изменений, улучшающих их прочностные свойства и повышающих эффективность излучения: в частности, галтелей специальной формы, простейшие модели, основанные на анализе колебаний стержней постоянного сечения или классических переменных сечений, уже не могут с достаточной точностью прогнозировать частотные свойства. При этом как раз для подобных сложных конструкций точный предварительный расчет параметров наиболее важен, так как возможность их настройки весьма ограничена или отсутствует.
Среди всего спектра применений мощных УЗ колебаний, наиболее высокие требования предъявляются к волноводам для прессовой УЗ сварки термопластичных материалов в случаях, когда необходимо обеспечить формирование сварочного шва, размеры которого в одном или двух направлениях сравнимы или превосходят полудлину волны в материале волновода. В этом случае поперечные размеры волновода также становятся сравнимы или значительно превосходят полудлину продольной волны, колебания волновода приобретают сложный характер, и необходимо
применение специальных конструкторских приемов, чтобы добиться продольных колебаний излучающего торца волновода с максимально равномерным распределением амплитуды, так как только в этом случае возможно получение высококачественного шва. Основным приемом, позволяющим добиться продольных колебаний сложного двумерного волновода, является введение пазов, расположенных таким образом, чтобы разбить поперечный размер конструкции на стержневые участки, которые способны колебаться в продольной моде. Но несмотря на обилие вариантов практически используемых конструкций двумерных волноводов с пазами, попыток аналитического исследования их частотных свойств почти не предпринималось.
При этом для выбора оптимальной конструкции, соответствующей решаемой задаче, обеспечения необходимой частоты и моды ультразвуковых колебаний сложных волноводов, а так же для достижения максимума преобразования подводимой энергии в ультразвуковые колебания необходим предварительный расчет параметров волновода, важнейшим из которых является собственная частота.
Учитывая вышесказанное, задача моделирования частотных свойств сложных одномерных и двумерных ультразвуковых технологических волноводов, на основе которого становится возможным проектирование конструкций с оптимальными характеристиками, является актуальной.
Объект исследования. Ультразвуковые технологические волноводы в виде ступенчатых стержней переменного сечения с двухрадиусными галтелями и в виде пластин, снабженных пазами.
Предмет исследования. Колебательные процессы в ступенчатых стержнях переменного сечения с двухрадиусными галтелями и пластинах, снабженных пазами, для обоснованных вариантов изменения их конструкций и параметров.
Целью настоящей работы является научно-техническое обоснование совершенствования методик проектирования ультразвуковых технологических волноводов сложных форм при их моделировании для оценок частотных свойств.
Достижение целей работы обеспечено решением следующих задач:
Теоретическое и экспериментальное исследования влияния особенностей конструкции одномерных составных многоволновых ультразвуковых волноводов, состоящих из заданного числа стержней постоянного сечения различных диаметров, сопряженных галтелями специальной формы, на собственные частоты продольных колебаний;
Теоретическое и экспериментальное исследования влияния особенностей конструкции двумерных плоских ультразвуковых волноводов, представляющих собой пластину с пазами, на собственные частоты продольных колебаний;
Анализ полученных закономерностей для совершенствования методики проектирования и настройки ультразвуковых технологических волноводов сложных форм с оптимальными характеристиками.
Методы исследования. Задачи настоящей работы решены с использованием широко известных методов исследований: математической
физики, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования, численных методов расчета, общепринятых методик планирования и анализа эксперимента.
Достоверность полученных результатов подтверждается
согласованностью теоретических результатов работы с результатами, полученными известными для таких задач численными методами, полученными другими авторами в частных случаях и с результатами собственных экспериментов.
Научная новизна работы:
- Создана математическая модель для анализа частотных свойств составных
многоволновых ультразвуковых технологических волноводов, состоящих из
заданного числа стержней постоянного сечения, сопряженных галтелями,
очерченными двумя радиусами, предназначенных для воздействия на
жидкие среды;
- Создана математическая модель для анализа частотных свойств плоских двумерных ультразвуковых технологических волноводов, содержащих пазы, предназначенных для ультразвуковой сварки;
- Показана возможность применения полученных результатов для
совершенствования методик проектирования одно- и двумерных
ультразвуковых технологических волноводов сложных форм с обеспечением
повышения эффективности их работы.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в применении полученных результатов для:
совершенствования методики проектирования одномерных ультразвуковых излучающих волноводов с улучшенными прочностными параметрами, предназначенных для воздействия на жидкие среды;
совершенствования методики проектирования двумерных ультразвуковых излучающих волноводов, предназначенных для ультразвуковой сварки термопластичных материалов, с улучшенными характеристиками;
внедрения разработанных рекомендаций по проектированию составных многоволновых ультразвуковых технологических волноводов, состоящих из заданного числа стержней постоянного сечения, сопряженных галтелями, очерченными двумя радиусами, в производство оборудования для обработки жидких сред: проточных диспергаторов ИЛ100-6/7, ИЛЮО-6/8, ИЛЮО-6/9 компании ООО «Ультразвуковая техника - ИНЛАБ»;
внедрения разработанных рекомендаций по проектированию плоских двумерных волноводов, содержащих пазы, в производство оборудования для сварки термопластичных материалов ИЛ 100-7/2-0.1, ИЛЮО-7/2-0.2 компании ООО «Ультразвуковая техника - ИНЛАБ»;
внедрения в учебный процесс кафедры Электроакустики и Ультразвуковой Техники (ЭУТ) СПбГЭТУ "ЛЭТИ" при обучении студентов по дисциплине «Колебания и волны».
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина)» и поддержана грантами для студентов и аспирантов СП6ТЭТУ «ЛЭТИ», Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе УМНИК, награждена премиями международного института акустики и вибраций (IIAV) и американского акустического общества (ASA).
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Для описания частотных свойств при моделировании одномерных ультразвуковых технологических волноводов с двухрадиусными галтелями, необходимо использовать модель галтели в виде специальных функций: «полиномиальной» на расширяющемся участке сечения и «синусной» на сужающемся, что обеспечивает повышенную точность результатов моделирования с ошибкой не более 1 %.
-
Для описания частотных свойств при моделировании двумерных ультразвуковых технологических волноводов в виде пластин с пазами необходимо использовать комбинированную геометрическую модель в виде колебательной системы, состоящей из элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами, что обеспечивает адекватную физическую оценку данного типа конструкций и возможность повышения эффективности их работы.
-
При анализе частотных свойств двумерного ультразвукового технологического волновода, содержащего пазы, установлено, что увеличение его общей ширины сопровождается ростом собственной частоты до значений собственных частот составляющих стержней, при увеличении ширины пазов собственная частота волновода уменьшается, а с увеличением высоты пазов -увеличивается, что позволяет обосновать методику проектирования и настройки данного типа конструкций.
-
Введение в конструкцию двумерного ультразвукового технологического волновода дополнительных отверстий, расположенных на одной оси с пазами, позволяет уменьшить неравномерность амплитуды колебаний рабочего торца волновода до заданного уровня.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях:
Научно-практической конференции «100 лет российскому подводному флоту» (г. Северодвинск, 2006);
XVIII (г. Таганрог, 2006), XX (г. Москва, 2008), XXII (г. Москва, 2009), XXV (г. Таганрог, 2012) сессиях российского акустического общества (РАО);
7-ой и 8-ой Международных конференциях «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2008 и 2009 гг.);
XI Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (Санкт-Петербург, 2008);
Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы» (г. Москва, 2009);
2-ой Международной конференции «Наноматериалы и технологии» (г. Улан-Удэ, 2009);
научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ "ЛЭТИ" (2008 и 2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них - 1 статья в журнале из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ, 2 - в других изданиях, 12 докладов на международньк и федеральных научно-технических конференциях, 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 121 наименование, и приложений. Основная часть работы изложена на 133 страницах машинописного текста. Работа содержит 52 рисунка и 14 таблиц.
