新型超声波钻探器的研究

论文摘要

为适应我国月球探测工程以及未来深空探测的需要,本文作者就一种能在外星球上获取样品的新型超声波钻探器进行了理论和技术的基础研究。该钻探器具有独特的结构,主要由超声波换能器,自由质量块和钻杆三部分组成。本文作者在参考国外相关钻探器文献的基础上,对钻探器的结构特征及其钻探机理进行了深入的研究,设计出了这种新型超声波钻探器,加工出了原型样机,并对其进行了一系列的实验研究,为进一步研究超声波钻探采样技术奠定了坚实的基础。本文的主要研究内容和成果综述如下:概述了超声波钻探技术的发展及其在相关领域的应用,提出了课题的研究意义、内容和目标。详细的介绍了拟钻介质的破坏机理(疲劳破坏),据此提出了钻探器的基本结构。对新型超声波钻探器的有限元模型进行了动力学仿真和钻探模拟。通过对钻探器模型的优化设计,研制了一台原型样机。采用不同的脆性介质,进行了大量的钻探实验,基本上达到了预期的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本课题的来源、内容及意义
• 1.3 新型超声波钻探器与其他钻探器的比较
• 1.4 超声换能器
• 第二章 新型超声波钻探器的原理
• 2.1 引言
• 2.2 拟钻介质破碎机理
• 2.2.1 疲劳破坏的变动应力
• 2.2.2 疲劳破坏的概念和特点
• 2.3 钻探器的结构及工作原理
• 2.4 均匀杆的纵向强迫振动
• 2.5 变截面杆的作用
• 2.6 压电陶瓷片
• 2.6.1 压电方程及压电材料参数
• 2.6.2 压电陶瓷片安放位置
• 第三章 新型超声波钻探器的结构分析
• 3.1 钻探器模型的建立
• 3.1.1 钻探器的结构预设
• 3.1.2 钻探器结构的有限元模型的建立
• 3.2 钻探器的模态分析
• 3.3 钻探器的谐响应分析
• 3.4 钻探器的钻探模拟
• 3.4.1 用以钻探器模拟软件的介绍
• 3.4.2 钻探模拟模型的建立
• 3.4.3 两种钻探模型的比较
• 3.4.4 无自由质量下的模拟
• 3.4.5 有自由质量模型的模拟
• 3.4.6 两种模型模拟钻探结果的比较
• 第四章 新型超声波钻探器的实验研究
• 4.1 钻探器的加工及装配
• 4.2 陶瓷片上所加预紧力的研究
• 4.3 新型超声波钻探器的模态实验研究
• 4.4 新型超声波钻探器驱动电源电路匹配
• 4.5 钻探实验
• 第五章 全文总结
• 5.1 本文的主要贡献
• 5.2 进一步的研究内容
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的主要论文
• 致谢