Моделирование составных кольцевых ультразвуковых волноводов с помощью метода конечных элементов
https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-6-476-481
Аннотация
В статье описана методика моделирования и оптимизации составных кольцевых ультразвуковых волноводов, состоящих из двух последовательно соединенных сегментов из различных материалов, с помощью метода конечных элементов. Обоснована возможность применения таких волноводов для усиления колебаний по амплитуде. Преимущество разработанной методики – возможность ее реализации с помощью стандартного программного обеспечения, в частности COMSOL Multiphysics. Корректность и эффективность методики подтверждена путем сравнения численных данных с результатами моделирования с помощью метода передаточных матриц с применением уравнений колебаний типа Эйлера – Бернулли и Тимошенко. Показано, что в составных кольцевых волноводах могут возникать собственные формы колебаний двух типов – знакопеременные и знакопостоянные, причем практический интерес для усиления колебаний по амплитуде представляют только знакопостоянные моды. Даны рекомендации по выбору оптимальных геометрических параметров волноводов, в частности показано, что для обеспечения максимального коэффициента усиления колебаний по амплитуде центральные углы сегментов волновода должны выбираться с учетом расчетной зависимости коэффициента усиления от угла, характеризующейся наличием нескольких локальных максимумов коэффициента усиления. Отмечено, что высокая точность существующих полуаналитических методов расчета и проектирования кольцевых волноводов достигается при использовании методов, основанных на применении уравнений колебаний типа Тимошенко.
Об авторах
Д. А. СтепаненкоБеларусь
Доктор технических наук, доцент
Адрес для переписки: Степаненко Дмитрий Александрович – Белорусский национальный технический университет, ул. Я. Коласа, 22, 220013, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 293-91-01
stepd@tut.by
К. А. Бунчук
Беларусь
Инженер
г. Минск
Список литературы
1. Sonotrode für Ein Ultraschall-Bearbeitungsgerät: Europäische Patentanmeldung EP 0594541 A2, IPC B06B 3/00 / M. Bory, H. Bauer. Veröffentlichungstag der Anmeldung 27.04.94.
2. Machine Component: United States Patent 3015961, Cl. 74-1 / R. N. Roney. Patented 09.01.62.
3. Луговой, И. В. Разработка кольцевых концентраторов с переменной жесткостью для ультразвукового прошивания отверстий в хрупких материалах / И. В. Луговой. Минск, 2017. 27 с.
4. Степаненко, Д. А. Расчет и проектирование ультразвуковых акустических систем для использования в медицине и технике / Д. А. Степаненко. Минск, 2020. 323 с.
5. Усилитель упругих колебаний по амплитуде: Евразийский пат. EA 035595 B1, МПК B06B 3/02 / Д. А. Степаненко, К. А. Бунчук, А. С. Емельянова, М. А. Плескач, Н. В. Солодкая. Опубл. 14.07.2020.
6. Amplifying Ultrasonic Waveguides: United States Patent US 8033173 B2, IPC G01N 24/00 / T. D. Ehlert, G. Bromfield, P. S. McNichols, N. R. Stegelmann. Patented 11.10.11.
7. Степаненко, Д. А. Методика расчета и возможные применения функционально-градиентных ультразвуковых волноводов / Д. А. Степаненко, В. Т. Минченя // Механика машин, механизмов и материалов. 2013. Т. 22, № 5. С. 19–23.
8. Исследование характеристик составных кольцевых концентраторов ультразвуковых колебаний с помощью метода передаточных матриц [Электронный ресурс] / Д. А. Степаненко [и др.] // Техническая акустика. 2018. № 2. Режим доступа: http://www.ejta.org/archive/articles2018/stepanenko2.pdf.
9. Оптимизация кольцевых концентраторов ультразвуковых колебаний / Д. А. Степаненко [и др.] // Приборостроение-2018: материалы Одиннадцатой Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 14–16 нояб. 2018 г. / Редкол. О. К. Гусев [и др.]. Минск, 2018. С. 328–329.
10. COMSOL Multiphysics User’s Guide. Version 3.5. 2008 [Electronic Resource]. Mode of access: https://extras.csc.fi/math/comsol/3.5/doc/multiphysics/quick.pdf.
Рецензия
Для цитирования:
Степаненко Д.А., Бунчук К.А. Моделирование составных кольцевых ультразвуковых волноводов с помощью метода конечных элементов. НАУКА и ТЕХНИКА. 2021;20(6):476-481. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-6-476-481
For citation:
Stepanenko D.A., Bunchuk K.A. Modelling of Ring-Shaped Compound Ultrasonic Waveguides by Means of Finite Elements Method. Science & Technique. 2021;20(6):476-481. (In Russ.) https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-6-476-481