超声雾化器理论设计.doc

超声雾化器设计及试验研究 3.1 引言 超声雾化器主要作用是将供液装置提供雾化液雾化，以满足各种不一样应用。常见雾化方式有喷嘴机械雾化和压电超声雾化两种。传统机械式雾化方法分为压力喷射式雾化和转杯高速旋转雾化。压力喷射式雾化是雾化液在雾化器压力作用下具备一定动能，在高速旋转中喷出喷孔，在离心力、喷孔反作用力等力作用下，克服雾化液表面张力和粘性力，碎裂成雾粒；转杯高速旋转雾化是雾化液以细流经管道进入安装在空心轴上雾化转杯内，在高速旋转雾化杯离心力作用下，紧贴在雾化杯壁面，形成液膜伴随转杯高速旋转，并不停向杯口移动直至甩出裂解成细小成曲线运动雾粒。压电超声雾化有低频大功率超声雾化和高频微细雾化。解释超声雾化机理理论主要有表面张力波理论和微激波理论。高频超声微细雾化在空气雾化加湿、超声雾化美容、药剂雾化吸入治疗等领域应用广泛。低频大功率超声雾化主要应用在生物与农业工程中、设施农业植物盆栽培养方面，应用范围仍在不停扩展。 低频大功率超声雾化不但具备汽雾分布均匀，汽雾粒径小，雾化液速度低等高频超声雾化器优点，而且雾化量较大，雾粒初速度高等机械压力喷嘴优点，比较适合精密超精密磨削冷却应用。低频超声雾化器动力由夹心式大功率压电超声换能器提供，其设计基于声波在弹性介质中一维传输理论及相关设计理论并结合有限元分析，确定超声雾化器结构参数。依照纳米汽雾聚焦超声冷却系统要求，超声雾化器采取了二次雾化技术，以深入细化雾粒。 超声雾化器雾化性能试验主要包含最大汽雾流量，汽雾粒径等。汽雾雾粒粒径之间是不一样，通惯用雾粒平均粒径来表示，构想一个液滴尺寸完全均匀一致喷雾场以代替实际不均匀喷雾场，这个假想均匀喷雾场液滴直径称为平均直径55。几个不一样平均粒径表示方法应用领域如表3-1所表示。 表3-1 平均粒径表示方法应用领域 平均粒 长度 表面积 体积 索特粒径径类型 Dmax DdNDmax D 2dN 1/2Dmax D 3dN 1/3 Dmax D 3dN 公式 D10 = DminDmax D20 =DminDmax dN D30 =DminDmax dN D32 =DDminmax D 2dN dNDmin Dmin Dmin Dmin用途 比较 表面控制 流体流动 质量运输，燃烧反应 超声雾化器设计，及对设计超声雾化器阻抗特征、振动特征、雾化性能（粒径、最大流量等）等雾化器性能试验研究，得到谐振频率、输入功率及其它相关参数对雾化性能影响，为纳米汽雾聚焦超声冷却系统研制奠定基础。 3.2 超声雾化器设计 因为本课题所需雾化器雾粒粒径较小，依照式（1-11）知，超声雾化器谐振频率需要较高。以 20水为例，表面张力系数 T=7.2810-2N/m，水密度 =1.0103kg/m3，对应超声振动频率（F）与对应索特粒径（D）关系如表3-2 所表示。超声雾化器雾化能量主要由换能器纵向振动提供，为了得到换能器很好纵振模态，换能器径向尺寸要小于换能器材料纵波波长 1/4，所以，换能器频率越高，其径向尺寸就越小，同时意味着换能器最大功率容量减小，换能器输出能量减小，致使雾化器雾化量降低。 表3-2 超声频率F与对应索特直径D 超声频率F（KHz） 20 50 100 1000 10000 索特粒径D（m） 56.4 30.6 19.3 4.2 0.89 精密磨削区热源每秒钟发烧量在通常磨削用量下都在4187J以下，水比热容和汽化热都很高，在室温条件下1mL水变成100以上水蒸气最少能带走 2512J热量；据此推测，每秒时间有1.8mL冷却水进入磨削区，绝大部分热量将被带走，实现磨削区有效冷却。考虑到水变成汽雾后表面积大大增加，气化速度快，单位时间内吸热多，降温快，每秒有1mL水雾进入磨削区即可实现冷却。 超声雾化器设计需要同时考虑雾化量和汽雾粒径两方面要求，但因为雾化量和汽雾粒径之间关系，二者极难同时兼顾。本课题作为一个探索性设计，需要对雾化器输入功率、雾粒分布，雾化量、粒径等之间关系做初步研究，超声雾化器谐振频率选取55KHz，对应雾粒索特直径为28.7m。 超声本课题所设计超声雾化器主要由换能器和变幅杆两部分组成，其结构如图3-1所表示。超声雾化器雾化量与雾化面振幅亲密相关，在输入功率一定情况下，前后盖板材料、变幅杆形状等对换能器前后振速比有很大影响。在功率超声领域，夹心式压电陶瓷换能器压电晶片主要是实现大功率及高效率能量转换56，所以，应选择机械及介电损耗较低而压电常数和机电转换系数较高陶瓷材料，通常选取发射型大功率材料，如PZT-4、PZT-8 等。为了取得较大前后振速比，换能器前盖板材料通常选取铝合金、铝镁合金和钛合金等，后盖板基本上选取一些重金属，如45号钢、40Cr铜等57，同时这么选择还能使能量最小程度地从换能器后表面辐射，从而提升换能器前向辐射效率，增大声场声辐射压力，提升声场对雾化器生成雾粒声作用。本课题试验所设计换能器前盖板材料选取硬铝 12，后盖板材料选取40Cr钢。 1.后盖板 2.PZT-8陶瓷片 3.法兰 4.前盖板 5.变幅杆 6.雾化面 7.反射头 图3-1 超声雾化器结构图 变幅杆主要起振幅放大和聚能作用58，常见形状有指数型、圆锥型、悬链线型和阶梯型四种。为实现变幅杆和换能器之间匹配，变幅杆材料也选取硬铝12，换能器各部分材料如表3-3所表示。依照雾化需要，压力波振幅最少应放大68倍，喷嘴出口端振动振幅最起码应有几个微米59。所以，变幅杆需要较高放大系数 Mp，同时因为雾化器负载改变小，又无静压力，对输入阻抗特征要求不高，所以，雾化器变幅杆选取阶梯型变幅杆较适宜。 表3-3 超声雾化器各部分材料 后盖板 压电陶瓷片 前盖板 变幅杆 40Cr PZT-8 硬铝12 硬铝12 超声雾化器是由半波长换能器和半波长变幅杆组成全波长夹心式纵振振子，共2个节面，一个节面在法兰处；为了减小进水孔对雾化器影响，另一个节面在进水孔中心处。超声雾化器各部分经过高强度螺栓等连接一个有机弹性体。在设计时，为了减小径向振动影响，换能器横向尺寸要比声波在换能器材料中波长小多，纵振振子设计就能够按一维理论进行设计，降低设计难度，所以，我们假定所设计雾化器满足以下条件： 1，雾化器各部分截面内应变分布均匀； 2，在雾化器内，声波波前面保持平面传输，且无能量损耗。 3.2.1 半波长超声雾化器换能器设计 换能器设计频率为55KHz，依据表3-3各部分材料参数如表3-4所表示， 表3-4换能器各部分材料参数 部件名称 材质 密度 纵波波速c (声阻抗率) 波长l 波数k (kg m 3 ) (m/s) kg/sm2 106 (mm) (rad/cm) 压电陶瓷 PZT-8 7600 3100 23.56 107 0.405 前盖板 硬铝12 2700 5200 14.04 94.5 0.66 后盖板 40Cr 7865 5100 40.11 92.7 0.67 前盖板长度：l =l4=23.6mm 。因为纵向换能器径向尺寸通常应小于对应材料声波波长的(3)1/4，故压电陶瓷片PZT-8直径选取为20mm，对应陶瓷片内径为10mm，厚度为4mm。由式3-10和表3-3中材料参数计算后盖板长度l为9mm。 压(1)电陶瓷材料抗胀强度低，其数值约为 5107N/m 2。而其抗压强度较高，大约为其抗张强度10倍左右，约50107N/m 2。故大功率下易损坏，通常采取加预应力方法。对预应力要求既增加了预应力同时又不影响陶瓷片振动。试验表明：预应力大小有一个适宜范围，其大小应调整到大于换能器工作过程中所碰到最大伸张应力。据此选择适宜高强度螺栓，以满足将换能器各部分压紧为一个弹性有机体要求。 3.2.2 半波长超声雾化器阶梯变幅杆设计 所设计变幅杆节面位于大截面前端面，求得粗圆柱段长度l =l4，依4据表 3-3 中数据，计算得 l =l4 =23.6mm。同理，细圆柱段长度4 l =l4=23.6mm 。 5变幅杆粗圆柱段直径D =20mm ，细圆柱段直径D =8 mm ，阶梯变幅杆有45 关参数以下： 面 积 系 数为：N =D R=2.5 45（3-19） 放大系数为：M =N 2 =6.25 p（3-20） 阶梯型变幅杆实际谐振频率比理论计算谐振频率低，原因主要是由粗细连接截面处因为截面突变而产生应力集中造成。实际设计时，为了降低变幅杆粗细截面处应力集中，提升实际谐振频率，使变幅杆实际谐振频率和理论谐振频率相靠近，通常粗圆柱段和细圆柱段采取圆弧过渡。使变幅杆实际谐振频率和理论谐振频率相一致过渡圆弧称为最好过渡圆弧。 依照文件58，最好过渡圆弧直径R计算公式为： a=D /l=0.447 4（3-21） 其中，l=l/2 由文件58查得a=0.447时， RD =0.65，故最好过渡圆弧为：R =0.65D =5.2mm ,圆弧过渡阶梯型变幅杆结(5)构如图 3-4所表示。 5 图3-4 圆弧过渡阶梯型变幅杆 3.2.3 超声雾化器结构设计 超声雾化器结构尺寸已经基本确定，还需要确定高强度连接螺栓，法兰，进水孔，前端雾化圆盘等几部分。 换能器连接螺栓应具备较高强度，经过预应力估算选择螺栓材料和尺寸参数。 已知E=5105Vm ，机械品质原因Q =40，杨氏模量Y =61010 Nm 2 ，maxm纵向压电常数d =31010 mV ，拉力极限为200Ncm2 ，则最大拉力值为： 33P =d YEQ max33m（3-22） 计算可知最少需施加3600Ncm2 预应力才能确保压电陶瓷片不被拉坏；考虑压电陶瓷片拉力极限，最少需施加3400Ncm2 力才能使压电陶瓷一直处于受压状态下。 陶 瓷 片 横 截 面 积 为 ： S=p(D2)2 -(d2)2) （3-23） 故 压 电 陶瓷晶片不被 拉 坏 最 小 预 应 力 为 ： F =P S minmin（3-24） 预 应 力 螺 栓 横 截 面 积 为 ： S=F/s 螺栓b（3-25） 将相关参数代入上述各式，计算得到预应力螺栓最小直径为6.8mm。因为换能器所选取压电陶瓷片内径为 10mm，螺栓和陶瓷片内孔之间还有绝缘套，所以，螺栓直径为8mm。 雾化器法兰作用主要有两个，一是为了固定法兰位置与其余部件进行连接纽带；二是预防前部水雾回流，轻易引发压电陶瓷堆处电极短路，起保护电路作用。所以，法兰位置应设置在陶瓷堆前端节面处。法兰具备一定厚度，会对雾化器谐振频率有一定影响，为了减小法兰对雾化器谐振频率影响，其厚度越薄越好。对法兰来说，换能器相当于一个激励源，使法兰做弯曲振动，当换能器激振频率等于法兰盘固有谐振频率时，法兰弯曲振动较大，所以，法兰固有谐振频率应远离雾化器谐振频率。材料一定情况下，法兰盘固有谐振频率与厚度和外径关于，厚度越薄，外径越大，法兰盘固有谐振频率就越小62，越远离雾化器谐振频率。但法兰外径过大，过薄，其机械强度就不足，引发颤动。所以，法兰尺寸应选择一个适宜范围。其厚度通常为2mm 左右。外径应依照换能器直径适当确定，设计雾化器法兰外径预取 40mm 。法兰最大节圆通常是连接孔位置，对螺钉强度要求较低，直径越小越好，通常选M2或M3。为了不影响雾化器性能参数，法兰与其余固定件接触面积越小越好。所以，法兰最大节圆与法兰半径差值不宜过小，也不宜过大，半径差值通常选3mm左右。 为了减小进水孔其对雾化器性能参数影响，进水孔孔径应尽可能小，同时设置在换能器前节面位置。前端雾化圆盘是实现雾化主要器件，但雾化圆盘外径和厚度会影响雾化器阻抗，谐振频率等参数。同时，若雾化阶梯变幅杆外径比激励源直径大很多，雾化圆盘会产生弯曲振动，径向振幅不一致，生成雾粒就会不均匀。所以，雾化圆盘外径比激励源直径稍大即可，较小影响雾化圆盘径向纵振振幅分布。细段直径是 8mm ，前端雾化圆盘直径取12mm 。 在变幅杆上附加雾化圆盘后，会造成雾化器谐振频率下降和振幅减小 40。采取质量互易法进行修正，以减小附加雾化圆盘对雾化器影响。如图3-5 所表示，图中l为超声变幅杆附加雾化圆盘后总等效长度，l为超声变幅杆长度，细端直径(6)D =8mm ；前端雾化圆盘直径D 取12mm ，厚(5)度h为2mm 。 17 变幅杆附加雾化圆盘后修正公式为： h(S -S )=lS （3-26） 757 5pp 其中，S = D 2，S = D 2。 5 4 77 4 5图3-5 阶梯型变幅杆修正示意图 由上式（3-27）可变换为： l =(S S -1)h （3-27） 775将各数值带入式（3-27）、（3-28）得，l =2.5mm ，所以，变幅杆附加雾化7 圆盘后变幅杆等效长度l =l-l=21.1mm。 657雾化器反射头主要作用是将液体反射到雾化面上，增大液体与雾化面接触面积，提升雾化量。雾化器反射头质量会影响雾化器前段振幅和，谐振频率，阻抗等参数。所以，雾化器反射头材料用选取密度较小材料和较小外形结构。为了使反射液体能均匀、较多反射到雾化面上，雾化器反射头周向最少做4个斜孔，孔直径在1mm以下，斜孔中心线与反射板交点应位于反射板中径以内。 综合上述分析和计算，图3-1所表示超声雾化器结构设计尺寸如表3-5所表示： 表3-5 超声雾化器结构设计尺寸 l 1l 2l 3l 4l 6h 过渡圆弧 直径（mm） 20 20 20 20 8 12 10.4 长度（mm） 9 8.4 23.6 23.6 21.1 2 5.2 材料 40Cr PZT-8 硬铝12 硬铝12 硬铝12 硬铝12 硬铝12 3.3 理论设计超声雾化器结构有限元分析 本文主要是经过对超声雾化器进行有限元模态分析，得到超声雾化器固有谐振频率、模态振型等，以检验所设计雾化器结构合理性。模态分析是研究结构动力特征一个近代方法，是系统分辨方法在工程振动领域中应用。 为了确保模型计算精度和提升运算速度，应忽略粘接剂、电极片厚度、螺栓预应力、螺纹结构等情况影响64，各部分模型建好后还应利用NUMMRG命令优化各个节点计算序号。依照上文中超声雾化器相关设计参数在ANSYS10.0 中进行建模，为了提升模态分析过程实际效果，在进行建模时，同一个零件之间“缝隙”采取VADD相加方式如法兰盘与换能器前盖板、换能器前盖板和变幅杆之间；不一样零件之间采取VGLUE粘接方式如后盖板与压电陶瓷堆、换能器前盖板与压电陶瓷堆之间。超声雾化器ANSYS模型如图3-6所表示。 图3-6 超声雾化器ANSYS模型 模型建立完成后，需要为振子系统每个体定义适宜单元类型和材料属性，其中振子系统所用材料参数及选取单元类型如表3-6所表示。给雾化器各部分配材料等属性后，对所建模型进行网格划分，网格划分越细密，模态分析计算精度越高，同时运算占用空间和时间也可能越多，所以，要依照实际情况选取适宜网格。对设计雾化器进行振动模态及谐振频率模拟分析和计算，应在压电陶瓷堆加载交流电压情况下进行65，使其更靠近实际，即对压电陶瓷进行极化。在施加载荷和求解后，得到超声雾化器模态振型。 表3-6 雾化器各部分材料属性 材料 杨氏模量E（N m 2 ） 密度（kg m 3 ） 泊松比s 单元类型 40Cr 2.16E11 7865 0.28 SOLID98 PZT-8 8.7E10 7600 0.34 SOLID5 硬铝12 7.1E10 2700 0.33 SOLID98 在4070KHz频率范围内取40阶模态，选择使用Block Lanczos提取方法，得到超声雾化器在4070KHz频率范围内短路状态一阶纵向振动模态如图3-7 所表示，雾化器谐振频率为 53.6KHz。与设计频率 55KHz 相差 1.4KHz，误差为 2.5%。造成ANSYS分析频率与设计频率不一致原因有多方面。如选取材料参数不一致；模型简化、过渡圆弧直径选取未达成最优等。与理论计算相比， ANSYS分析结果则相对较靠近实际谐振频率。但假如所建立ANSYS模型与声学计算模型相差较大，则实际谐振频率与 ANSYS分析结果相差也会较大。所以，为了使所设计雾化器谐振频率达成设计频率55KHz，能够对雾化器在设计模型基础上经过ANSYS模态分析进行适当优化。 图3-7 雾化器纵振模态及其固有频率 纵向振动模态剖面图如图3-8所表示。从图中能够看出声在雾化器中传输并非是整个传输过程中都是以平面形式向前传输。在不一样部件接触处和截面改变处，波前面形状是不一样。在变幅杆中间波幅处，波前面近似为平面，但在陶瓷堆和前盖板接触处、变幅杆变截面处等处声波前面近似为弧形。声波在雾化器中传输形式与我们理论计算假设有些出入，这也是设计频率和ANSYS分析谐振频率不一致原因之一。 图3-8 纵向振动模态剖面图 沿超声雾化器中心轴线方向提取纵向振动幅值曲线如图3-9、图3-10所表示，图中横坐标起始位置为后盖板后端面。从图 3-8 中能够看出，中心轴向上有 2 个节点。一个在法兰处，另一个位于变幅杆突变截面后面；沿中心轴线，纵向相对振幅在雾化器前端达成最大，与设计要求一致。从图3-9能够查得，从后盖板后端面起，第一个节点在18.7mm处，第二个节点在60.4mm处。而设计时第一个节面距离后盖板后端面 17mm，第二个节面在64mm处。对比发觉，中心轴线上第一个节点在设计节面前面，第二个节点在设计节面后面。考虑到超声波在雾化器中波前面形状，有一定合理性。为了深入确认，应对雾化器圆周面上节圆位置进行确定。 图3-9 基于雾化器模型轴线方向纵振幅值曲线图 图3-10 雾化器轴线方向纵振幅值曲线 在超声雾化器外圆面取一条与超声雾化器中心轴线平行路径，提取纵向振动幅值曲线，外圆面轴向纵振幅值曲线图如图3-11所表示。图3-12为雾化器外圆轴向纵振(UZ)和总振幅（USUM）幅值曲线，图中横坐标起始位置为后盖板后端面。从图3-11、3-12中能够看出，纵振相对幅值改变趋势和中心轴线振幅改变趋势一致，但中间半波长则比中心轴线上半波长较长。外圆面轴向一样有2个节圆。从图3-12能够查得，第一个节圆在距离后盖板后端面16.7mm处，第二个节圆在64.0mm处。第一个节圆与设计节面位置17mm仅相差0.3mm，位于设计节面后面；第二个节圆在64mm处，虽与第二个设计节面位置 64mm一致，但此处纵向振幅不为零，与设计理论有出入，需要深入优化，以使雾化器达成设计要求。 图3-11基于雾化器模型外圆面轴向纵振幅值曲线图 图3-12雾化器轴线方向纵振振幅(UZ)和总振幅（USUM）幅值曲线 经过对超声雾化器中心轴线上节点位置、雾化器外圆轴向节圆位置分析发觉，第一个节面在雾化器中形状是一个中心向前凸凸形弧面，第二个节面在雾化器中形状为一个向后凹凹形弧面。第一个节面中心节点和外圆节圆轴向相差2mm，第二个节面中心节点和外圆节圆轴向相差 3.6mm，即第一个节面声波前面曲率半径较小，而第二个节面声波前面曲率半径较大。依照 ANSYS分析对声波前面位置判断，第一个节面位置在理论设计节面之后，第二个节面在理论设计节面之前，这与ANSYS分析小于设计频率是一致。 法兰主要作用是将雾化器与其余部件连接，以固定雾化器使其正常工作。为了减小外部构件对超声雾化器性能参数影响，理论上要求法兰无振动，所以，设计时将其设置在节面处，但实际法兰通常会产生弯曲振动，原因主要是后段换能器充当了激励源。首先，从ANSYS分析分析结果知，超声在第一个节面处波前面是一向前凸凸形弧面，而非平面，这会造成法兰在厚度方向上振幅不一致，致使法兰产生弯曲或扭曲等振动形式。其次，法兰具备一定厚度，在节面两边有微小纵向振幅，理论上若节面在法兰厚度中间面，则节面两边微小纵振会转变为法兰径向振动，而没有纵向振动，但实际节面位置极少在法兰厚度中间面，致使法兰产生弯曲或扭曲振动。法兰后端面基于雾化器模型纵向振动幅值曲线图如图3-13所表示，法兰后端面纵振幅值曲线如图3-14所表示。从图中轻易看出，法兰后端面作弯曲振动，中心处纵向振幅最大；有两个节圆。从图3-14中查得大节圆直径为33.6mm，小节圆直径为19.2mm。 图3-13 基于雾化器模型法兰后端面纵向振动幅值曲线图 图3-14 法兰后端面纵振幅值曲线 雾化器雾化面主要作用是将供液装置供给液体雾化。雾化面表面振幅大小影响雾粒生成和粒径大小。为了雾粒分布均匀性，雾化面振幅应等值。因为雾化面比变幅杆细段直径大，变幅杆细段对雾化圆盘来说，相当于一个激励源，会造成雾化面振幅幅值不相等，所以，需要对雾化面处纵向振幅进行研究，以判定雾化面纵向振幅幅值是否相差过大。基于模型雾化面纵向振幅幅值图如图3-15所表示，雾化面纵向振幅幅值曲线如图3-16所表示。从图中看出雾化面纵向振幅整体较大，但幅值有一定差异，从图 3-16中查得，最大纵向振幅（UZ）为 22.2，最下为 19.8，相差较小，对雾粒分布会有一定影响，但影响不大，基本满足设计要求。 图3-15 基于雾化器模型雾化面纵向振幅幅值图 图3-16 雾化面纵向振幅幅值曲线 总而言之，经过对超声雾化器谐振频率、节面位置、法兰和雾化面等ANSYS 有限元分析，所设计雾化器谐振频率、节面位置等性能参数与ANSYS有限元分析结果基本相符。但为了使所设计雾化器谐振频率、节面位置等性能参数尽可能和实际雾化器相一致，需要基于有限元对雾化器结构进行优化分析。 3.4 基于有限元雾化器结构尺寸对性能参数影响研究 雾化器对谐振频率、节面位置、雾化面振幅等都有一定要求。而影响谐振频率、节面位置等原因有很多，如法兰盘厚度，法兰盘直径、雾化圆盘厚度，雾化圆盘直径、过渡圆弧半径等。为了实现所设计雾化器谐振频率、节面位置等性能参数尽可能和实际雾化器相一致，对雾化器结构进行优化，需要对法兰盘厚度，法兰盘直径、雾化圆盘厚度，雾化圆盘直径、过渡圆弧半径对雾化器谐振频率、节面位置影响分别进行研究。依照各原因对超声雾化器性能参数影响大小程度，确定优化方法，对雾化器结构进行优化，以确定合理结构尺寸。 3.4.1 过渡圆弧半径对雾化器频率、轴线节点影响研究 阶梯型变幅杆在粗细圆柱段连接截面处由截面突变会产生应力集中，造成阶梯型变幅杆实际谐振频率比理论计算谐振频率低。通常经过在粗圆柱段和细圆柱段连接处采取圆弧过渡，降低变幅杆粗细截面处因截面突变引发应力集中，提升实际谐振频率，使变幅杆实际谐振频率和理论谐振频率相一致，同时，阶梯型变幅杆不会因应力集中而造成变幅杆疲劳断裂，提升变幅杆使用寿命。 采取控制变量法，基于有限元ANSYS分析，以雾化器理论设计模型尺寸为基础，以过渡圆弧半径为变量，研究过渡圆弧半径改变对超声雾化器谐振频率、节面位置影响规律。过渡圆弧半径取 5.2mm、6.2mm、7.2mm、8.2mm、9.2mm 等5个值。 经过在ANSYS10.0 前处理器中三维建模，给各部分选择适宜单元类型，输入密度、泊松比和弹性模量等材料参数，分配材料属性，然后采取自动网格划分方法对建好模型进行网格划分（可依照需要设置网格疏密，网格越密运算越精准，运算时间也越长）,在施加载荷后选择分析类型为模态分析，然后在 求解器中选择Block-Lanczos模态提取方法，设定频率搜索范围为40000-70000Hz，求解变幅杆固有频率和振型，在通用后处理器POST1中查看结果。过渡圆弧半径取 5.2mm、6.2mm、7.2mm、8.2mm、9.2mm 时，雾化器谐振频率改变曲线如图 3-17 所表示、雾化器中心轴线第一个节点（后节面）位置改变曲线如图 3-18 所表示、雾化器中心轴线第二个节点（前节面）位置改变曲线如图3-19所表示、距后盖板后端面64mm处理论前节面外圆点纵向振幅改变曲线如图3-20所表示。 图3-17 雾化器谐振频率Fr与过渡圆弧半径R关系曲线 图3-18 轴线节点1位置与过渡圆弧半径R关系曲线 图3-19 轴线节点2位置与过渡圆弧半径R关系曲线 图3-20 理论前节面外圆点振幅与过渡圆弧半径关系曲线 图3-17 表明雾化器谐振频率 Fr伴随过渡圆弧半径 R增大而升高；当过渡圆弧半径为7.2mm时，雾化器谐振频率达成了55.3KHz，与设计频率误差只有 0.5%，所以，当过渡圆弧半径为 7mm 时，雾化器谐振频率应和设计频率基本一致。 图3-18和图3-19表明，伴随过渡圆弧半径增加，轴线上节点1和节点2 位置向后有微量移动，但在过渡圆弧半径某段范围内，节点是基本不随过渡圆弧半径增加而改变。如节点 1和节点2在过渡圆弧半径6.2mm8.2mm范围内均不变。而在过渡圆弧半径6.2mm8.2mm范围内，雾化器模型频率与设计频率是基本靠近，所以，我们也能够说，在最好过渡圆弧半径左右，雾化器轴向节点位置基本不变。 图3-20表明，伴随过渡圆弧半径增加，理论设计前节面外圆点纵向相对振幅在减小。而轴线上节点2位置却不变或向后移动较小，说明伴随过渡圆弧半径增加，节面2向后凹曲率在减小，这与超声雾化器设计理论相符。 3.4.2 法兰对雾化器频率、后节圆、轴线节点及法兰大节圆影响研究 法兰用于超声雾化器与外部装置紧固连接，用以固定雾化器。在应用中需选择合理法兰盘直径以确保法兰盘外圆表面上无振动或振动幅值靠近于零。即使设计时将其设置在节面处，但法兰具备一定厚度，在节面两边有微小纵向振幅和相对较大径向振幅，后段换能器又相当于一个激励源，致使法兰产生弯曲或扭曲振动。反过来，作为超声雾化器一部分，法兰对雾化器谐振频率，节面位置等产生影响。本文采取控制变量法，基于有限元ANSYS分析，分别研究法兰厚度 h、直径D两个变量对超声雾化器谐振频率 Fr，节面位置及法兰本身节圆影响。 3.4.2.1 法兰厚度对雾化器频率、后节圆、轴线节点及法兰大节圆影响研究 以雾化器理论设计模型尺寸为基础，以法兰厚度h为变量，研究法兰厚度 h改变对超声雾化器谐振频率、节面位置、法兰后端面大节圆影响规律。法兰直径D为40mm，法兰厚度h取1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等5个值。雾化器谐振频率Fr改变曲线如图3-21所表示、雾化器中心轴线第一个节点（后节面）位置改变曲线、雾化器中心轴线第二个节点（前节面）位置改变曲线如图 3-22 所表示、距后盖板后端面17mm处理论后节面（第一个节面）外圆表面节圆位置改变曲线如图3-23所表示、法兰最大节圆与法兰半径差值改变曲线如图3-24所表示。 图3-21 雾化器谐振频率Fr与法兰厚度h关系曲线 图 3-21 表明，伴随法兰厚度增加，超声雾化器谐振频率从 53.57KHz 增加到了53.61KHz，仅仅增加了0.04KHz，说明法兰厚度对雾化器谐振频率几乎没有影响。 图3-22 轴线节点位置与法兰厚度h关系曲线 图3-22表明，在法兰厚度增加过程中，超声雾化器中心轴线第一个节点（节点1）位置一直是距后盖板后端面18.76mm。在法兰厚度增加过程中，超声雾化器中心轴线第二个节点（节点2）位置一直是距后盖板后端面59.96mm 处。即，在法兰厚度增加过程中，中心轴线节点位置均不变。所以，法兰厚度对轴线上节点位置影响能够忽略。 图3-23 外圆表面节圆1位置与法兰厚度h关系曲线 图3-23表明，在法兰厚度增加过程中，超声雾化器外圆表面节圆 1位置从17.02mm 降到了16.65mm，但在法兰厚度1.5mm2.5mm范围内，外圆表面节圆1位置却没有改变，说明在此范围内，法兰厚度对外圆表面节圆1位置也几乎无影响。 图3-24 法兰最大节圆与法兰半径差值和法兰厚度h关系曲线 法兰最大节圆与法兰半径差值不宜过小，也不宜过大，半径差值通常选 3mm 左右。图 3-24 表明，伴随法兰厚度增加，法兰最大节圆与法兰半径差值逐步增大。但法兰最大节圆与法兰半径差值从最小2mm到最大3.8mm，均在 3mm左右合理范围内。所以，法兰厚度对法兰最大节圆与法兰半径差值影响也较小。 综上，法兰厚度对超声雾化器性能参数影响较小。 3.4.2.2 法兰直径对雾化器频率、后节圆、轴线节点及法兰大节圆影响研究以雾化器理论设计模型尺寸为基础，以法兰直径D为变量，研究法兰直径 D改变对超声雾化器谐振频率、节面位置、法兰后端面大节圆影响规律。法兰厚度h为2mm，法兰直径D取36mm、40mm、44mm、48mm、52mm等5个值。雾化器谐振频率Fr改变曲线如图3-25所表示、雾化器中心轴线第一个节点（后节面）位置改变曲线、雾化器中心轴线第二个节点（前节面）位置改变曲线如图 3-26 所表示、距后盖板后端面17mm处理论后节面（第一个节面）外圆表面节圆位置变化曲线如图3-27所表示、法兰最大节圆与法兰半径差值改变曲线如图3-28所表示。 图3-25 雾化器谐振频率Fr与法兰直径D关系曲线 图 3-25 表明，伴随法兰直径增加，超声雾化器谐振频率从 53.60KHz 下降到了53.56KHz，仅仅降低了0.04KHz，说明法兰直径对雾化器谐振频率影响能够忽略。 图3-26 轴线节点位置与法兰直径D关系曲线 图3-26表明，在法兰直径增加过程中，超声雾化器中心轴线第一个节点（节点1）位置一直是距后盖板后端面18.76mm。在法兰直径增加过程中，超声雾化器中心轴线第二个节点（节点2）位置一直是距后盖板后端面59.96mm 处。即，在法兰直径增加过程中，中心轴线节点位置均不变。所以，法兰直径对雾化器轴线上节点位置基本无影响。 图3-27 外圆表面节圆1位置与法兰直径D关系曲线 图3-27表明，在法兰直径增加过程中，即使在法兰直径44mm时，外圆表面节圆1位置是16.65mm，但法兰直径其它值时超声雾化器外圆表面节圆1位置均是16.83mm。说明法兰直径对外圆表面节圆1位置也几乎无影响。 图3-28法兰最大节圆与法兰半径差值和法兰直径D关系曲线 图3-28表明，伴随法兰直径增加，法兰最大节圆与法兰半径差值逐步减小。但法兰最大节圆与法兰半径差值从最大3.24mm到最小2.73mm，均在3mm 左右合理范围内。所以，法兰厚度对法兰最大节圆与法兰半径差值影响也较小。 综上，法兰直径对超声雾化器性能参数影响较小。 3.4.3 雾化圆盘对雾化器频率、轴线节点及雾化面相对振幅影响研究 雾化圆盘主要作用是将供液装置供给液体雾化。雾化面表面振幅大小影响粒径大小、雾粒分布均匀性等。雾化面振幅要求等值，但因为雾化面比变幅杆细段直径大，变幅杆细段对雾化圆盘来说，相当于一个激励源，会造成雾化面振幅幅值不相等。同时，作为超声雾化器一部分，雾化圆盘结构尺寸对雾化器谐振频率、节面位置、雾化面振幅分布等产生影响。 采取控制变量法，基于有限元ANSYS分析，分别研究法兰厚度h、直径D两个变量对超声雾化器谐振频率 Fr，节面位置及法兰本身节圆影响。 3.4.3.1 雾化圆盘厚度对雾化器频率、轴线节点及雾化面相对振幅影响研究 以雾化器理论设计模型尺寸为基础，以雾化圆盘厚度h为变量，研究雾化圆盘厚度h改变对超声雾化器谐振频率、雾化面振幅最大值、雾化面振幅最小值、节面位置等影响规律。雾化圆盘直径D为12mm，雾化圆盘厚度h取1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等5个值。雾化器谐振频率Fr改变曲线如图3-29所表示、雾化面最大最小相对振幅改变曲线如图3-30所表示、雾化器中心轴线节点位置改变曲线如图3-31所表示。 图3-29 雾化器谐振频率Fr与雾化圆盘厚度h关系曲线 图3-29表明，伴随雾化圆盘厚度增加，超声雾化器谐振频率从56.90KHz 降低到了50.71KHz，下降了6.19KHz，说明雾化圆盘厚度对雾化器谐振频率影响较大。雾化圆盘厚度为 1.5mm 时，雾化器谐振频率为 55.22KHz，靠近雾化器设计频率。 图3-30 雾化面最大最小相对振幅与雾化圆盘厚度h关系曲线 图3-30表明：一，在雾化圆盘厚度增加过程中，雾化面最大相对振幅下降较快，最小相对振幅下降较慢；二，伴随雾化器圆盘厚度增加，最大相对振幅和最小相对振幅差值越来越小。在雾化圆盘厚度为2mm时，最大最小相对振幅差值为2.93，下降到了3（相对振幅在20以上）允许差值以内。从汽雾分布均匀性角度，雾化圆盘厚度越大，雾化面相对振幅等值性越好，汽雾分布越均匀。 图3-31 中心轴线节点位置与雾化圆盘厚度h关系曲线 图 3-31 表明，在雾化圆盘厚度增加过程中，中心轴线节点 1 位置从 18.42mm增加到了19.43mm，增大较小；中心轴线节点2位置从58.29mm增加到了61.64mm，增大较大；节点1和节点2距离从39.87mm增加到了42.21mm。说明伴随雾化圆盘厚度增加，节点1和节点2均向前移动，且靠近雾化面节点2向前移动较多。 综上，雾化圆盘厚度对超声雾化器谐振频率、雾化面最大相对振幅影响较大，对前节点（节点2）有影响，对后节点（节点1）和雾化面最小相对振幅影响较小。 3.4.3.2 雾化圆盘直径对雾化器频率、轴线节点及雾化面相对振幅影响研究 以雾化器理论设计模型尺寸为基础，以雾化圆盘直径为变量，研究雾化圆盘直径改变对超声雾化器谐振频率、雾化面振幅最大值、雾化面振幅最小值、节面位置等影响规律。雾化圆盘厚度h为12mm，雾化圆盘直径D取8mm、10mm、 12mm、14mm、16mm等5个值。雾化器谐振频率Fr改变曲线如图3-32所表示、雾化面最大最小相对振幅改变曲线如图3-33所表示、雾化器中心轴线节点位置改变曲线如图3-34所表示。 图3-