بهینه سازی رفتار ترمومکانیکی هورن فراصوت از طریق اصلاح هندسه

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک

2 دانشیار گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک

3 استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک

4 استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تفرش

چکیده

انتقال ارتعاشات ترانسدیوسر فراصوت به بار، توسط قطعه‌ای به نام هورن صورت می‌گیرد. بسته به کاربرد هورن، می‌توان ارتعاشات را متمرکز و یا پخش نمود. این قطعه در کاربردهای گوناگون همانند جوشکاری فراصوت مورد استفاده قرار می‌گیرد. محدودیت این قطعه، افزایش دمای آن در حین کارکرد به دلیل میرایی ساختاری است. به سبب این که این قطعه در فرکانس تشدید در مود محوری در حال ارتعاش است، افزایش دما داده و در اثر آن خواص مکانیکی آن تغییر کرده و موجب تغییر فرکانس تشدید و افت شدید راندمان ارتعاشات می‌شود. در این مقاله با هدف کاهش دمای هورن، هندسه بهینۀ جدید ارائه شده است. هندسۀ جدید از لحاظ انتقال حرارت بهینه است و به صورت هم زمان سعی شده تا کمترین مود جانبی ممکن به دست آید. به منظور بهبود این مشکل و مقابله با آن، مدل عددی رشد دمایی قطعه مورد نظر در حالت پایدار به به دست آمده است به علاوه با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه سازی حرارتی هورن با ایده پره، در دو مرحله متوالی انجام شده است. در قسمت نتایج جزئیات هندسۀ جدید ارائه و به صورت مبسوط در مورد جوانب مختلف آن بحث شده است.

کلیدواژه‌ها


[2] P. Langevin, French Patents Nr. 575435 (1924).    
[3] Ando E, Kagawa Y (1992) Finite-element simulation of transient heat response in ultrasonic transducers. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 39.                          
[4] Karnaukhov VG, Senchenkov IK, Mikhailenko VV, Dyachenko SM (1996) Numerical modeling of vibrational heating and thermal stresses in a Lagrangian piezoelectric rod transducer. Int Appl Mech 32.                                              
[5] Sherrit S, Dolgin BP, Bar-Cohen Y, Pal D, Kroh J, Peterson T (1999) Modeling of horns for sonic/ultrasonic applications. IEEE Int Ultrason Symp 647-651.
[6]Joo H, Lee C, Rho J, Jung H (2006) Analysis of temperature rise for piezoelectrictransformer using finite-element method. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 53.                       
[7] Abdullah A, Shahini A, Pak A (2008) An approach to design a high power piezoelectric ultrasonic transducer. Electroceram 22: 369-382.                          
[8] Pak A, Abdullah A (2008) Correct prediction of the vibration behavior of a high power ultrasonictransducer by FEM simulation. Adv Manuf Technol 39: 21-28.                                                                        
[9] Gallego-Juárez JA, Rodriguez G, Acosta V, Riera E (2010) Power ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing. Ultrason Sonochem 17: 953-964.                                                
[10] Ganesan R, Muthupandian A (2010) Simulation of heat generation from vibration in COMSOL multiphysics. Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference India.
[11] Peshkovsky AS, Peshkovsky SL (2010) Acoustic cavitation theory and equipment design principles for industrial applications of high-intensity ultrasound. Nova Science Publishers.
 [12] Hosseni R, Ebrahimi Mamaghani A, Asa A (2013) An investigation into the effects of friction and anisotropy coefficients andwork hardening exponent on deep drawing with FEM. Adv Mater Process 1(2): 39-50.              
[13] Abdullah A, Malaki M (2013) On the damping of ultrasonic transducers’ components. Aerosp Sci Technol 28: 31-39.
[14] Rani MR, Prakasan K, Rudramoorthy R (2015) Studies on thermo-elastic heating of horns used in ultrasonic plastic welding. Ultrasonics 55: 123-132.
[15] Lu X, Hu J, Peng H, Wang Y (2017) A new topological structure for the Langevin-type ultrasonic transducer. Ultrasonics. 75: 1-8.
[16] Karafi MR, Khorasani F (2019) Evaluation of mechanical and electric power losses in a typical piezoelectric ultrasonic transducer. Sensor Actuat A-Phys 288: 156-164.