СПОСОБ УСИЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ПОМОЩИ ВОЛНОВОДА, ВЫПОЛНЕННОГО В ВИДЕ КОНИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01M7/00 

Описание патента на изобретение RU2335746C1

Изобретение относится к способам повышения уровня механических колебаний без наличия редукторов и эксцентриков и может быть использовано в приборостроении для создания вибростендов.

Существует способ создания вибростендов, основанный на возбуждении колебаний упруго-опертой платформы при помощи электромагнитов (см. патент US 2003/0229438 A1 G06F 17/00) и принятое за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при применении известного способа возбуждения колебаний, принятого за прототип, относятся: невозможность усиление и передачи колебаний в диапазоне ультразвука при малой амплитуде возбуждения.

Технический результат - усиление высокочастотных колебаний в диапазоне ультразвука с амплитудой возбуждения порядка нескольких микрометров, создаваемых магнитострикционным или электромагнитным устройством.

Особенность заключается в том, что меняя параметры волновода, а именно угол раствора конуса и толщину оболочки, получаем требуемое усиление колебаний, минуя различные промежуточные устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем: на широкое основание круговой конической оболочки подается высокочастотный сигнал с закрепленного на нем магнитострикционного или электромагнитного устройства, при этом на противоположном конце оболочки получаем усиленные колебания той же частоты, уровень которых рассчитывается согласно схеме, описание которой приводится в работе Санкин Ю.Н., Трифанов А.Е. Осесимметричные колебания оболочек вращения при внезапном нагружении // ПММ. Том 66, вып.4, 2002, с.608-616.

Уравнения гармонических колебаний оболочки вращения могут быть записаны в виде, см.: Фридман В.М., Чернина B.C. Видоизменение метода Бубнова-Галеркина-Ритца, связанное со смешанным вариационным принципом в теории упругости. - Известия АН СССР, МТТ, №1, 1969, с.64-78:

где хТ=|T1, T2, S, M1, M2, H| - вектор усилий Т1, М1 и Т2, М2 - меридиальные и окружные растягивающие усилия и изгибающие моменты; S12, S21, H12, H21 - касательные усилия и крутящие моменты; уT=|u, v, w| - вектор перемещений; u - перемещение по касательной к меридиану, v - перемещение по касательной к параллели; w - нормальное перемещение; fT=|q1, q2, qn| - вектор внешней нагрузки; q1, q2, qn соответствуют по направлению составляющим вектора перемещений; R - масса, приходящаяся на единицу площади срединной поверхности оболочки, ω - частота вынужденных колебаний,

R1, R2 - главные радиусы кривизны; υ - радиус кривизны параллели;

В=Eh/(1-μ2) - жесткость при растяжении; D=Eh3/12(1-μ2) - цилиндрическая жесткость при изгибе; Е - модуль упругости; μ - коэффициент Пуассона; h - толщина оболочки. Операторы А и А* обладают свойством:

где σ - поверхность оболочки. При вычислении интеграла (2) учтена периодичность по углу θ. Здесь соответственно векторы обобщенных сил и перемещений на краях элемента, структура операторов А и А* дана в работах. Уравнения (1) следует дополнить соответствующими граничными условиями, которые следуют из свойств операторов (2),

Здесь Г1 - часть контура, где заданы усилия; Г2 - часть контура, где заданы перемещения. Деление граничного контура на Г1, Г2 считается условным, так как на одном и том же участке могут быть заданы отдельные компоненты вектора обобщенных сил и дополнительные компоненты вектора перемещений.

Решение таким образом поставленной задачи сообщает функционалу

стационарное значение.

Второй интеграл в выражении функционала (4) является работой граничных усилий и конструируется согласно (2).

Для конической оболочки (Фиг.1), когда R1=∞, при осесимметричной нагрузке величина, связанная с перемещением v, не рассматривается, а операторы А* и С преобразуются к виду:

где dS=υdϕ.

Зададимся полем перемещений в виде: u=α12S, w=α3S+α4S+α5S26S3, где α1, ..., α6 - неизвестные коэффициенты.

Такое представление может быть оправдано тем, что, например, для цилиндрической оболочки уравнение изгиба не связано с уравнением растяжения и эта зависимость мала при относительно малых θ и малой длине элемента. Найдем функции формы. Функции формы определяются согласно соотношению U=NUij, где UT=|u w|, ui, wi, γi, uj, wj, γj - перемещения и углы поворота краевых сечений. N1, ..., N6 - функции формы.

Введем переменную где L - длина элемента по образующей. Тогда получим [5]: N4=S1,

При переходе от местной системы осей к единой (X, Y, Z), выражая вектор у через матрицу функций формы N и узловые перемещения

zТ=|ui, wi, dwi/dS, Uj, wj, dwj/dS|,

функционал (4) перепишется в виде:

где

Учитывая, что dσ=2πLdS, получим для матриц жесткостей и масс следующие выражения:

Для формирования глобальной матрицы представим матрицу жесткости и матрицу разбитой на блоки 3×3:

а вектор нагрузки fТ=|fij, fji|. Тогда для оболочки получим следующее рекуррентное соотношение, подобное аналогичному соотношению для балок:

где k - номер характерного сечения, fk - вектор нагрузки в сечении k.

Для того чтобы учесть рассеяние энергии, подставим вместо Е величину E(1+iγ) в уравнения (5), где γ - коэффициент внутреннего рассеяния энергии, и решая систему уравнений (5), строим амплитудно-фазочастотные характеристики АФЧХ (Фиг.2). Математическая, модель оболочки вращения формируется по характерным точкам АФЧХ в виде:

где kj=AjT1j/T2j - коэффициент усиления j-ого колебательного звена; Аj - вертикальный размер витка АФЧХ; Т1j=T2j(1-ω22j21j) - постоянная времени демпфирования; Т2j=1/ω1j - инерционная постоянная; ω1j - резонансная частота, соответствующая максимуму мнимой части АФЧХ;

ω2j - частота, соответствующая максимуму действительной части АФЧХ;

ω - частота колебаний; i - мнимая единица,

после чего определяется частота возбудителя магнитострикционных или электромагнитных колебаний, обеспечивающая на выходе максимальную амплитуду усиливаемых колебаний.

Формула (6) получена в работе Санкин Ю.Н. Динамические характеристики вязкоупругих систем с распределенными параметрами. Саратов, изд-во СГУ, 1977, 309 с. Формулы для Т1j и T2j приведены в работе Санкин Ю.Н. Малые колебания механических систем с одной степенью свободы. Ульяновск, изд во УлГТУ, 1991, 36 с.

Известен волновод, выполненный в виде конического стержня сплошного сечения. Недостатком, препятствующим выполнению поставленной задачи, является значительная погонная масса стержня, малая площадь сечения, к которому прикладывается возмущающее воздействие, что существенно ограничивает мощность передаваемого сигнала, а также наличие больших потерь на внутреннее трение, что не позволяет создавать высокочастотные вибростенды, необходимые для проверки работоспособности оборудования в условиях мощного высокочастотного звукового поля.

Способ усиления механических колебаний при помощи волновода, выполненного в виде конической оболочки вращения, отличается тем, что в качестве волновода используют тонкостенную круговую коническую оболочку, на широкое основание которой подают высокочастотный сигнал с закрепленного на ней магнитострикционного или электромагнитного генератора механический колебаний, причем частоту возбуждения выбирают при помощи математической модели поведения оболочки на выходе, определяемой по формуле (6) на частоте ω, когда амплитуда колебаний на выходе оказывается максимальной. Предлагаемая конструкция свободна от вышеуказанных недостатков, т.к. радиус сечения оболочки, где прикладывается возмущающее воздействие, может быть выбран достаточно больших размеров в зависимости от величины передаваемой мощности. Также из соображений минимизации потерь на внутреннее трение устанавливается толщина оболочки (Фиг.3), где 1 - приборный отсек, 2 - коническая оболочка, 3 - вибратор, выполненный из магнитострикционного материала, 4 - катушка для возбуждения колебаний, ЗГ - звуковой генератор.

Ниже приводится зависимость выходного сигнала от радиуса входного сечения (Фиг.4), где сплошной линией показан выходной сигнал конической оболочки радиуса 0.25 м и толщиной 5 мм, а пунктирной - радиуса 0.5 м и толщиной 5 мм, и изменение амплитуды в зависимости от толщины стенки (Фиг.5), определяющей потери на внутреннее трение, где сплошной линией показан выходной сигнал конической оболочки радиуса 0.5 м и толщиной 2 мм, а пунктирной - радиуса 0.5 м и толщиной 5 мм.

Похожие патенты RU2335746C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ 1996
  • Санкин Ю.Н.
  • Санкин Н.Ю.
RU2130598C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ ВРЕМЕНИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ УПРУГО ОПЕРТОЙ ЖЕСТКОЙ ПЛАСТИНЫ ПРИ ДОЗВУКОВОМ ОБТЕКАНИИ 2010
  • Санкин Юрий Николаевич
  • Олейников Кирилл Владимирович
RU2435151C1
АНТЕННАЯ ОПОРА С ДИНАМИЧЕСКИМ ГАСИТЕЛЕМ 2008
  • Санкин Юрий Николаевич
  • Гафуров Наиль Талгатович
RU2361987C1
УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОГО ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ АГРЕГАТА АВТОМОБИЛЯ С АДАПТИВНОЙ СИСТЕМОЙ 2004
  • Санкин Ю.Н.
  • Гурьянов М.В.
RU2266826C1
СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ СКОРОСТИ АВТОМОБИЛЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОЛИЧЕСТВА ЕГО ПАССАЖИРОВ 2010
  • Санкин Юрий Николаевич
  • Ромашков Сергей Владимирович
RU2468937C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЗАГОТОВКИ ПРИ ОБРАБОТКЕ НА ТОКАРНОМ СТАНКЕ 2000
  • Санкин Ю.Н.
  • Пирожков С.Л.
RU2171161C1
АНТЕННАЯ ОПОРА С ПОНИЖЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ 2007
  • Санкин Юрий Николаевич
  • Гафуров Наиль Талгатович
RU2359095C1
СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ АНТЕННОЙ ОПОРЫ КАК СИСТЕМЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ОТ ВЕТРОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ 2009
  • Санкин Юрий Николаевич
  • Гафуров Наиль Талгатович
RU2417396C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ ВРЕМЕНИ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРИ НАЛИЧИИ ДВУХ ИНТЕГРИРУЮЩИХ УСИЛИТЕЛЕЙ В ЦЕПИ ИЗМЕРЕНИЯ 1999
  • Санкин Ю.Н.
  • Пирожков С.Л.
RU2163361C1
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДВИЖЕНИЕМ МАНИПУЛЯТОРА КАК СИСТЕМОЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОМ ЭТАПЕ ДВИЖЕНИЯ ПРИ ВЫХОДЕ В ЗАДАННОЕ ПОЛОЖЕНИЕ 2006
  • Санкин Юрий Николаевич
  • Барахов Владимир Михайлович
RU2319604C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 335 746 C1

Реферат патента 2008 года СПОСОБ УСИЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ПОМОЩИ ВОЛНОВОДА, ВЫПОЛНЕННОГО В ВИДЕ КОНИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ВРАЩЕНИЯ

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в приборостроении для создания вибростендов. Способ заключается в следующем. Усиление колебаний реализуется при помощи волновода, выполненного в виде конической оболочки вращения. В качестве волновода используют тонкостенную круговую коническую оболочку. При этом на широкое основание круговой конической оболочки подается высокочастотный сигнал с закрепленного на нем магнитострикционного или электромагнитного устройства. На противоположном конце оболочки получаются усиленные колебания той же частоты. За счет изменения параметров волновода, а именно - угла раствора конуса и толщины оболочки, можно получить требуемое усиление колебаний. Технический результат заключается в возможности реализации усиления и передачи высокочастотных колебаний в диапазоне ультразвука при малой амплитуде возбуждения. 5 ил.

Формула изобретения RU 2 335 746 C1

Способ усиления механических колебаний при помощи волновода, выполненного в виде конической оболочки вращения, отличающийся тем, что в качестве волновода используют тонкостенную круговую коническую оболочку, на широкое основание которой подают высокочастотный сигнал с закрепленного на ней магнитострикционного или электромагнитного генератора механических колебаний, меняя параметры волновода, а именно угол раствора конуса и толщину оболочки, получают требуемое усиление колебаний, минуя различные промежуточные устройства, причем частоту возбуждения выбирают при помощи математической модели поведения оболочки на выходе, определяемой по формуле

,

где kj=AjT1j/T2j - коэффициент усиления j-ого колебательного звена;

Аj - вертикальный размер витка АФЧХ;

- постоянная времени демпфирования;

- инерционная постоянная;

ω1j - резонансная частота, соответствующая максимуму мнимой части АФЧХ;

ω2j - частота, соответствующая максимуму действительной части АФЧХ;

ω - частота колебаний;

i - мнимая единица,

на частоте ω, когда амплитуда колебаний на выходе оказывается

максимальной.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2335746C1

US 20030229438 А1, 11.12.2003
ВОЛНОВОДНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР (КОНЦЕНТРАТОР) 2000
  • Шестаков С.Д.
RU2183141C2
САНКИН Ю.Н., ТРИФАНОВ А.Е
Осесимметричные колебания оболочек вращения при внезапном нагружении
- ПММ
Приспособление для соединения пучка кисти с трубкою или втулкою, служащей для прикрепления ручки 1915
  • Кочетков Я.Н.
SU66A1
ТЕУМИН И.И
Ультразвуковые колебательные системы
- М.: Машгиз, 1959.

RU 2 335 746 C1

Авторы

Санкин Юрий Николаевич

Трифанов Андрей Евгеньевич

Даты

2008-10-10Публикация

2007-01-09Подача