一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法，首先建立行波旋转型超声电机的三维几何模型；选择离散单元对三维几何模型进行离散处理，获取网格模型；根据实际工况对网格模型设定材料和阻尼参数，指定接触面和胶粘面，并对接触面和胶粘面施加荷载和约束条件；根据行波旋转型超声电机的工作频率，设定仿真所需时间函数和时间步，进行增量式仿真计算；获取计算结果，对行波旋转型超声电机进行应力应变和接触动力学仿真分析，得到行波旋转型超声电机启动和停止响应过程中每一时刻的输出转速和力矩；本发明专利技术解决了行波旋转型超声电机设计周期长、研制成本高的技术问题，为行波旋转型超声电机的结构优化设计和机械性能预测提供强有力的辅助工具。提供强有力的辅助工具。提供强有力的辅助工具。

【技术实现步骤摘要】
一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法，属于计算机仿真


技术介绍

[0002]众所周知，行波旋转型超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发弹性体定子在超声频域内的微幅振动，并通过定子和转子之间的摩擦作用将微幅振动转换成转子的宏观旋转运动，输出功率，驱动负载。因此行波旋转型超声电机的动力学特性研究已成为行波旋转型超声电机结构设计和应用拓展的重要基础。
[0003]行波旋转型超声电机的动力学特性研究通常是通过仿真来实现的，现有技术的行波旋转型超声电机仿真模型并不完整，通常仅包括定子、转子和压电陶瓷，仅能进行模态分析、谐响应分析、静力分析和有限的动力学分析，无法完成行波旋转型超声电机整机通电启动过程和断电停止过程的瞬态动力学仿真分析。行波旋转型超声电机装配的复杂性和接触机理的非线性，导致目前尚无一种能够对行波旋转型超声电机进行全方位动力学仿真分析的方法。
[0004]此外，行波旋转型超声电机的结构设计和优化存在迭代周期较长的问题，在样机制造加工前的设计阶段，通常无法对其输出性能进行有效的预测和分析，消耗的时间和经济成本较高。为了便于进行行波旋转型超声电机的结构设计和优化工作，且在样机试验前便可准确预测其输出性能，亟需提出一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法，解决了行波旋转型超声电机设计周期长、研制成本高的技术问题，为行波旋转型超声电机的结构优化设计和机械性能预测提供了强有力的辅助工具。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法，具体包括以下步骤：步骤S1：建立行波旋转型超声电机的三维几何模型；步骤S2：选择匹配的离散单元对步骤S1中三维几何模型进行离散处理，获取行波旋转型超声电机的网格模型；步骤S3：根据实际工况，对步骤S2中的网格模型设定材料和阻尼参数，网格模型中指定行波旋转超声电机的接触面和胶粘面，并对接触面和胶粘面施加荷载和约束条件；步骤S4：根据行波旋转型超声电机的工作频率，设定仿真所需的时间函数和时间步，进行增量式仿真计算；步骤S5：获取步骤S4中增量式仿真计算结果，对行波旋转型超声电机进行应力应变和接触动力学仿真分析，并计算得到行波旋转型超声电机启动和停止响应过程中每一时
刻的输出转速和力矩；作为本专利技术的进一步优选，步骤S3中，指定行波旋转超声电机的接触面和胶粘面，接触面包括接触目标面和接触主动面，行波旋转超声电机中材质硬的接触面指定为接触目标面，材质软的接触面指定为接触主动面；胶粘面包括胶粘主面和胶粘从面，在行波旋转超声电机的每组胶粘面中，面积小且网格稀疏的胶粘面为胶粘从面，面积大且网格稠密的胶粘面为胶粘主面；作为本专利技术的进一步优选，步骤S4中，仿真总过程包括若干时间步，每一个时间步的仿真结果基于前一个时间步的仿真结果进行计算，时间步的步长计算公式为：
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（1）公式（1）中，f为行波旋转型超声电机的激励频率，f ∈[f 1
,f 2
]；作为本专利技术的进一步优选，步骤S4中增量式仿真计算采用的是瑞利阻尼模型，在瑞利阻尼模型中，包含两个瑞利阻尼系数，分别为和，计算方法为：
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（2）公式（2）中，为阻尼比，阻尼比的合理数值范围为0至2%，为行波旋转型超声电机激励频率范围的下限，为行波旋转型超声电机激励频率范围的上限。
[0007]通过以上技术方案，相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的行波旋转型超声电机动力学仿真方法，对行波旋转型超声电机的整机进行建模仿真，因此建立的行波旋转型超声电机的仿真模型更加完整，不仅可以进行行波旋转型超声电机的稳态动力学分析，还能够完成行波旋转型超声电机通电启动过程和断电停止过程的瞬态动力学仿真分析；2、本专利技术提供的行波旋转型超声电机动力学仿真方法，重点对定转子接触面间的非线性问题进行研究，仿真得到行波旋转型超声电机运转过程中每一时刻的输出转速和力矩，不仅便于进行行波旋转型超声电机的结构设计和优化工作，而且在样机试验前便可准确预测行波旋转型超声电机的输出性能，这大幅缩短了设计迭代周期、减少了研制成本；3、本专利技术提供的行波旋转型超声电机动力学仿真方法，采用增量式仿真计算，兼顾了计算效率和计算精度，为行波旋转型超声电机的结构优化设计和机械性能预测提供了高效且可靠的辅助工具。
附图说明
[0008]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0009]图1是本专利技术提供的行波旋转型超声电机动力学仿真方法流程图；图2是本专利技术提供的优选实施例中基于的行波旋转型超声电机示例图；图3是本专利技术提供的优选实施例中获取的行波旋转型超声电机网格模型示意图；图4a
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图4b是本专利技术提供的优选实施例中获取的行波旋转型超声电机模型设置示意图；
图5a
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图5b是本专利技术提供的优选实施例的输出性能仿真结果示意图；图6a
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图6d是本专利技术提供的优选实施例的应力云图；图7a
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图7b是本专利技术提供的优选实施例的接触仿真结果示意图。
实施方式
[0010]现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本专利技术的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本专利技术的保护范围。
[0011]超声电机以压电陶瓷逆压电效应激发定子体超声波振动，再借助因定子转子相互压紧产生的摩擦力将切向力传递到转子上，带动负载运行，这样的运行方式容易导致性能不稳定，引起损坏从而导致无法完成长时间连续工作，然而经过研究后发现，超声电机在运行过程中存在大量非线性因素从而影响超声电机无法可靠平稳的运行。故需要对超声电机进行动力学仿真，以了解非线性现象并搞清楚机理，从而有效减少非线性因素的影响，这会对整机控制系统的设计和超声电机的发展有较大的帮助。基于此，本申请提供了一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法，需要阐明的是，本申请提供的仿真方法基于ADINA仿真软件进行，因为作为有限元软件，ADINA在接触非线性数值计算这一方面较为出色，所以选取该软件来对超声电机进行仿真分析；而本申请试验采用的超声电机也给出了一个实施例，即图2所示形态。
[0012]仿真方法如图1所示具体包括以下步骤：步骤S1：建立行波旋转型超声电机的三维几何模型；步骤S2：选择六面体单元作为离散单元对步骤S1中三维几何模型进行离散处理，获取图2所示行波旋转型超声电机的网格模型，将该网络模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种行波旋转型超声电机动力学仿真方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤S1：建立行波旋转型超声电机的三维几何模型；步骤S2：选择匹配的离散单元对步骤S1中三维几何模型进行离散处理，获取行波旋转型超声电机的网格模型；步骤S3：根据实际工况，对步骤S2中的网格模型设定材料和阻尼参数，网格模型中指定行波旋转超声电机的接触面和胶粘面，并对接触面和胶粘面施加荷载和约束条件；步骤S4：根据行波旋转型超声电机的工作频率，设定仿真所需的时间函数和时间步，进行增量式仿真计算；步骤S5：获取步骤S4中增量式仿真计算结果，对行波旋转型超声电机进行应力应变和接触动力学仿真分析，并计算得到行波旋转型超声电机启动和停止响应过程中每一时刻的输出转速和力矩。2.根据权利要求1所述的行波旋转型超声电机动力学仿真方法，其特征在于：步骤S3中，指定行波旋转超声电机的接触面和胶粘面，接触面包括接触目标面和接触主动面，行波旋转超声电机中材质硬的接触面指定为接触目标面，材质软的接触面指定为接触主动面；胶粘面包括胶粘主面...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淋，任韦豪，杨模尖，赵淳生，
申请(专利权)人：南京航达超控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：