压电微喷机构耦合特性及喷射性能研究.pdf

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1、博士学位论文压电微喷机构耦合特性及喷射性能研究RESEARCHONTHECOUPLINGCHARACTERISTICSANDINJECTIONPERFORMANCEOFPIEZOELECTRICMICRO-JET李锴哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP211学校代码：10213国际图书分类号：621.6密级：公开工学博士学位论文压电微喷机构耦合特性及喷射性能研究博士研究生：李锴导师：刘军考教授申请学位：工学博士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP2

2、11U.D.C:621.6DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHECOUPLINGCHARACTERISTICSANDINJECTIONPERFORMANCEOFPIEZOELECTRICMICRO-JETCandidate：LiKaiSupervisor：Prof.LiujunkaoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：School

3、ofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要压电微喷装置是基于压电喷墨技术并将所喷射流体的类型进行扩展而发展起来的一种微机电系统。在外部脉冲电压激励下，压电振子振动并在流固耦合面产生压力波，压力波经由流体介质传播至喷口驱使液滴从喷口喷出。由于压电微喷机构具有结构简单、响应快和精度高等优点，被广泛应用于生物医疗、电路电子、化学材料和增材制造等多个工业领域。为了提高压电微喷机构的

4、工作性能，研究人员对影响其喷射性能的各相关参数进行了分析并得出相应结论，为满足所需喷射性能要求的各参数选取提供参考。目前对压电微喷机构性能的分析主要为针对喷头区域进行部分参数对性能影响的分析，且所提出的分析方法往往局限于某一类构型。因此，本文针对一般压电微喷机构进行研究，建立了描述压电微喷机构工作各阶段工作机制的理论模型，基于所建立的模型进行相关研究，揭示了压电微喷机构的工作机制，并根据分析结果得出满足不同工作性能需求的各参数选取参考。本文首先建立了描述压电微喷机构腔体内声压力波传播的波动模型，并基于该模型针对一种传统结构形式的压电微喷机构进行其

5、声结构耦合特性的分析。揭示了压电振子、腔体与腔体内流体的声结构耦合机制，分析了压电微喷机构的关键结构尺寸、腔体材料、所喷射流体声速和工作频率变化对喷口声压、振子支座反力的影响。得到了满足不同喷射性能需求的关键结构尺寸、腔体材料和工作频率的选取参考，以及当流体声速发生变化时激励信号的调整参考以稳定喷射性能。建立了液滴成形及运动过程中的两相流耦合模型，并基于该模型针对一种压电微喷机构进行其两相流耦合特性分析。揭示了液滴的成形和运动机制，分析了脉冲激励信号和流体物理属性参数变化对液滴成形和运动特性的影响。得到了满足不同喷射性能需求的各激励参数选取参考，

6、以及当流体物理属性发生变化时激励信号的调整参考以稳定喷射性能。提出并研制了一种面向轴承润滑的嵌入式压电微喷机构，对其声结构耦合特性和两相流耦合特性进行研究。分析了脉冲激励信号参数和润滑油属性对喷射润滑性能的影响，得到了获得较高润滑喷射性能的各参数选取参考。建立了液滴在目标面上的铺展振荡模型，基于该模型针对一种面向打印的压电微喷机构所喷射液滴的铺展特性进行研究，揭示了液滴的铺展机制，分析了各影响参数对液滴铺展特性的影响，得到了获得较高铺展精度和避免失效的各参数选取参考。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文本文以所建立的描述压电微喷机构各阶段工作机制

7、的理论模型作为指导，对影响压电微喷机构性能的各参数进行了系统的数值模拟分析，揭示了压电微喷机构各阶段的工作机制，得到了相应的分析结论。同时设计制造了对应的试验样机进行了试验，试验结果验证了分析结果的有效性和可信性。由于在分析时并未增加额外的限制条件，本文所得到的分析结果可以用于指导相应结构形式压电微喷机构的性能优化，为压电微喷机构的进一步研究和发展提供参考。关键词：压电微喷；多物理场耦合；声结构耦合；两相流耦合；液滴成形特性；液滴铺展特性-II-AbstractAbstractThepiezoelectricmicro-jetisakindofm

8、icro-electro-mechanicaldevicewhichisbasedonthepiezoelectricinkjettec