【摘 要】
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对于军队、公安、武警等部门的反恐、反劫持作战,实现墙体低噪声、高效率钻孔是提高突击成功率、降低突击危险性,丰富和提升作战手段和能力的关键技术。旋转超声加工技术是加工砖墙等非金属硬脆材料的一种有效方法,而超声频率高于人耳可听频率范围,故试图通过频率在20k Hz以上的旋转超声钻孔技术来实现对墙体结构低噪声、高效率钻孔的目的。本文为提高钻孔效率,对超声钻头进行设计,对钻孔装置的钻削力进行实验研究;对钻
【基金项目】
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河北省军民结合产业发展专项（401324）；
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对于军队、公安、武警等部门的反恐、反劫持作战,实现墙体低噪声、高效率钻孔是提高突击成功率、降低突击危险性,丰富和提升作战手段和能力的关键技术。旋转超声加工技术是加工砖墙等非金属硬脆材料的一种有效方法,而超声频率高于人耳可听频率范围,故试图通过频率在20k Hz以上的旋转超声钻孔技术来实现对墙体结构低噪声、高效率钻孔的目的。本文为提高钻孔效率,对超声钻头进行设计,对钻孔装置的钻削力进行实验研究;对钻孔装置的噪声进行实验测试与分析,对系统非线性特性进行了研究,以便降低装置的可听噪声。主要内容如下:1.在利用课题组现有设备的基础上,运用超声加工机理、岩石破碎学和ANSYS有限元分析方法对超声钻头进行设计,以减少钻头钻孔中的能耗、提高钻孔效率,搭建实验台。对加工好的钻头进行谐振与振幅测试,测试结果显示设计合理,满足超声钻孔要求。并对装置的钻削力进行测试与分析,发现超声钻孔的轴向力比普通钻孔减小明显。2.运用声强测试法与分步运转法对钻孔装置的噪声源进行了测试与分析。根据声功率级云图,识别出了空载及无超声钻孔时装置的主要噪声源。对声压级频谱进行分析,发现超声钻孔的总噪声比普通钻孔有所增加。在5k Hz-20k Hz中高频范围内,增加的主要为1/2倍超声频率的噪声,且其对总的可听噪声贡献量较大。此1/2倍超声频率噪声为系统非线性特性引起,系统发生了1/2次亚谐波共振。3.对超声钻孔系统进行整体建模,将钻头和工件的接触界面简化为非线性界面层,将系统等效为具有非线性特性的单自由度系统,并运用多尺度法对系统主共振和1/2次亚谐波共振进行分析。研究发现系统引入二次和三次非线性项后,方程的1/2次亚谐波共振存在渐近稳定的定常解,与实验结果具有较好的一致性。研究表明增加系统阻尼和消除系统1/2倍超声频率附近的模态,能够抑制1/2次亚谐波共振,从而降低系统的可听噪声。
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