Simulation and experimental study of cavitation region caused by longitudinal and transverse vibration of casting ultrasonic radiator
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摘要
本报告基于有限元耦合分析,模拟铸造超声波振动系统的声场分布及振动幅值,预估了水中空化区域,并通过铝箔空化侵蚀实验及振幅测试验证仿真结果。研究发现超声辐射器端面主振动为纵向振动,空化区主要分布于辐射端面下方,强度随距离降低,且振动深度增加导致侧面出现离散空化区,实验与仿真高度一致,为超声铸造工艺中空化空域定量分析提供依据[page::0][page::2][page::3][page::5][page::6]。
速读内容
研究背景及目标 [page::0]
- 超声波空化效应促进金属熔体中成核和晶粒细化,利用模拟研究声场与振动特性为工艺优化提供理论支持。
- 本文通过有限元仿真模拟超声振动系统及水中的声压场,结合实验验证空化区域分布。
超声振动系统模型与仿真方法 [page::1]
- 建立由压电陶瓷、振幅变换器和辐射杆组成的系统有限元模型,耦合结构-流体-声场进行动力学分析。
- 采用响应频率范围15-30kHz及17-22kHz声场耦合计算,考虑流体无限边界及系统材料参数。

振动幅值与声场分布仿真结果 [page::2][page::3]
- 端面纵向振幅呈正弦波分布,中心最大(约12-13μm),向边缘逐渐减小。
- 侧面横向振幅峰值出现在距端面约50mm处(约3.15μm),向两侧减弱。

- 水中声压场主集中在辐射端面下方,振动深度增加导致侧面出现分散小的声压区,声压强度与距离端面成反比。
- 以0.9MPa作为空化阈值确定空化区域,空化区主要位于端面下方,振动深度分别为10mm、40mm、70mm时空化区分布呈多层分散形式。


空化实测验证及对比分析 [page::4][page::5]
- 激光测振仪测试辐射杆端面与侧面振幅分布,整体与仿真结果吻合,侧面横向振幅测试值大于仿真。
- 铝箔水中空化侵蚀试验显示空化坑主要分布于辐射端面下方150mm范围内,且距离端面越远空化坑数量和强度越弱。
- 实测空化区范围普遍大于仿真,原因在于实际横向振幅大于模型设定。


结论 [page::6]
- 辐射端面纵向振动为主,振幅中心最大,侧面横向振动分布不均。
- 空化区主要分布于辐射端下方,强度和范围随距离递减,随振动深度增大空化区呈分散状分布。
- 模拟与实测空化区基本一致,验证了有限元耦合模型的准确性。
深度阅读
金属超声振动系统引起空化区域的模拟与实验研究 — 报告详尽解读
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1. 元数据与报告概览
报告标题: Simulation and experimental study of cavitation region caused by longitudinal and transverse vibration of casting ultrasonic radiator
作者: X Q Li, R Q Li, F Dong, P H Chen, R P Jiang
机构: 中南大学机电工程学院及高性能复杂制造国家重点实验室,长沙,中国
主题: 铸造超声振动系统中特别是超声辐射器产生的纵向和横向振动引起的空化区域的动态模拟与水中实验验证研究
核心论点:
- 通过有限元模拟结合实验测量,研究超声振动特别是辐射器纵横振动所引起的空化区域结构及强度分布。
- 纵向振动是超声辐射的主要振动形式,空化区域主要集中在辐射器端面下方。
- 随着超声振动深度增加,空化区域呈现出不连续分布且在辐射侧面出现较小空化区域。
- 模拟结果与铝箔空化侵蚀实验及振幅测试基本一致,验证了模拟的准确性。
报告旨在通过系统的声固耦合有限元模拟并结合实验验证,为超声铸造过程中空化机制的理解和空化场的预测提供科学依据。[page::0,1]
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2. 逐节深度解读
2.1 引言
- 介绍超声空化在铸造中的重要性,强超声波在金属熔体中的空化促进晶核形成,细化晶粒结构,其机制为空化气泡振动、膨胀及坍塌过程产生高强度冲击波,有效破碎初生晶体并加速异质成核。
- 因熔融金属高温及化学变化的复杂性,难以直接、准确测量空化强度和范围,多采用水中条件下的空化测试或观察超声处理后组织变化进行间接表征。
- 本文通过建模数值模拟,结合水中振幅和空化侵蚀试验,探讨超声振动系统声场结构及空化范围的预测与验证。[page::0]
2.2 超声振动与空化区域模拟
2.2.1 模型与参数
- 系统由夹层换能器、一级和二级幅度变换器及辐射杆组成,忽略电极和连接螺栓的节点动态影响,但考虑了压电陶瓷的前后盖和预紧力。
- 流体场采用无限半径半圆形吸收边界有限元模拟,以确保声波在边界处不反射。
- 机械材质包括钛合金、铝、45号钢以及PZT-8压电陶瓷,流体为水(密度1000 kg/m³,声速1500 m/s)。
- 图1(几何模型及耦合有限元模型)清晰展现系统结构和耦合边界设定。[page::1]

2.2.2 控制方程与耦合机制
- 结构动力学基于经典运动方程:$M\{\ddot{u}\} + C\{\dot{u}\} + K\{u\} = \{F\}$,将不同物理量矩阵统一形式化,方便求解。
- 声场遵循Helmholtz方程,决定了声压的空间分布仅依赖频率、声速及边界条件。
- 流固耦合通过声压形函数和结构运动耦合修正,建立声-流-结构耦合离散方程,确保声波与机械振动相互影响的精确模拟。[page::1]
2.2.3 边界条件与求解
- 施加压电陶瓷激励电压正负极分别为300 V与0 V,频率扫描范围15~30 kHz,步长4 Hz。
- 流固耦合边界条件在辐射端与流体接触面设置,频率范围17~22 kHz,分1000步,步长5 Hz,结构阻尼比为4.2%,保证结构阻尼效应的影响被考量。[page::1]
2.2.4 仿真结果及分析
- 振幅分布(图2):
- 端面上,纵向振幅呈正弦分布,中心最大约13 μm左右,向边缘单调递减但整体均匀;
- 侧面横向振动峰值在距端面约50 mm处,约3.15 μm,向两侧衰减,端面附近低于1 μm。
- 该振动分布结构说明端面纵振为主导模式,侧面存在较小但明显的横向振动。[page::2]

- 水中声压场(图3):
- 声压主要集中在辐射杆端面下方,且声压幅值随距离衰减,振动越深,辐射侧面出现小声压区。
- 随深度增加,声场结构变复杂,出现多个不连续声压峰区域。
- 以0.9 MPa作为空化阈值,确定空化区形态(图4):
- 10 mm时呈连续空化区,40 mm和70 mm时呈多个不连续空化区分布于端面下方,侧面空化区较小或无。
- 这反映出超声空化为端面纵向振动的直接结果,场强及范围随离端面距离递减,且空化场分布具备深度依赖非连续性。[page::3]


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3. 铝箔空化侵蚀及振幅测试
3.1 测试方案
- 采用激光测振仪在辐射端面径向(13点,间距4 mm)和侧面纵向(22点,间距5 mm,起始点离端面1 mm)位置测量振幅,测试保证在振动隔离器中完成以减小环境干扰。
- 空化侵蚀用铝箔固定于水槽,超声振动后观察侵蚀形貌以反映空化强度和分布。
- 图5和图6分别为测试装置示意和实物照片,说明了测量和空化侵蚀实验设计与实施细节。[page::4]

3.2 实验结果与讨论
- 振幅对比(图7):
- 实测端面纵向振幅和模拟一致;侧面横向振幅测值普遍略高,且侧面远端约90 mm处出现测试峰值,模拟未反映,推测因未建模连接螺栓产生的振动耦合效应所致。
- 总体趋势吻合,验证了有限元模型的准确性。
- 铝箔空化侵蚀形貌(图8):
- 10 mm振动深度时,侵蚀主要集中于辐射端面下方约40 mm范围,侵蚀孔径约0.1-1 mm,远离端面腐蚀孔数逐渐减少,反映空化强度随距离衰减。
- 40 mm和70 mm振动深度时,空化区域变为多个离散区,且端面下方空化侵蚀最明显,侧面存在少量稀疏腐蚀孔。
- 最大空化区距离端面约150 mm,显示空化范围深远但强度递减。
- 实测空化范围略大于模拟,原因主要为侧面横向振幅实际值大于模拟,整体数据基本吻合,支持模拟准确捕捉空化场特征。[page::4,5]


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3. 图表深度解读
| 图表编号 | 内容描述 | 关键信息与洞察 | 文本联系与结论 | 评论及潜在局限 |
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| 图1 | 超声铸造系统结构及有限元模型示意 | 展示系统组件与耦合计算模型,重点在流体和结构耦合边界设置,保证声场真实传播模拟 | 支撑后文数值计算的几何与物理模型基础 | 忽略电极、连接螺栓动态影响可能造成部分振动响应偏差 |
| 图2(a,b) | 振幅沿辐射端面径向和侧面纵向分布 | 端面纵振幅正弦分布,中心最大;侧面横振幅曲线不对称、有峰值 | 说明纵向振动为主,侧向振动存在但较小,辐射端面为空化主发区 | 对连接结构忽略导致模拟与测量侧面振幅误差 |
| 图3 | 不同浸入深度水中声压场分布 | 声压主要集中端面下方,随距离衰减;深度增加导致不连续声压分布 | 表明局部超声强区形成空化有利条件 | 无反射边界效果良好保证模拟准确 |
| 图4 | 以0.9MPa阈值刻画超声空化区 | 随浸深增加,空化区由连续到不连续,端面下方空化强度最高 | 支持端面纵振导致主空化区理论 | 阈值选用合理但忽视液体环境复杂因素 |
| 图5 | 振幅测试装置及点位 | 明确测量点布置,保证数据完整性及空间分辨 | 为振幅实验与模拟对比提供依据 | 设备误差与环境震动可能影响精度 |
| 图6 | 铝箔空化侵蚀实验装置和实物 | 反映空化通过铝箔表面侵蚀表现,间接验证模拟 | 有效评估仿真声压场的空化预测准确性 | 铝箔侵蚀形貌受水流及其他机械因素干扰 |
| 图7 | 振幅测试与模拟对比曲线 | 端面纵向振幅基本吻合;侧面横向振幅测试略高且峰值位置偏离 | 模型准确捕捉大部分动力学特性,解释误差原因 | 没有细化连接结构动态耦合建模 |
| 图8 | 铝箔侵蚀区及局部放大图 | 侵蚀主要集中端面下方;深度增加造成多散区空化,强度随距离递减 | 融合验证数值模拟,显示超声空化空间分布趋势 | 空化强度以侵蚀孔数和大小间接衡量 |
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4. 估值分析
本报告为工程技术类研究报告,不涉及金融估值分析,故无相关内容。
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5. 风险因素评估
报告本身未针对金融或投资风险进行评估,但从技术角度可推断以下潜在限制和不确定性:
- 有限元模型简化假设:忽略部分细微连接结构影响,可能导致振动响应存在偏差,影响空化范围的准确预测。
- 空化阈值设定限定:固定0.9 MPa作为空化阈值,未包含环境液体温度、溶解气体浓度等因素对阈值的影响,存在一定偏差可能。
- 实验环境差异:水中实验模拟熔融金属环境空化,存在物理属性和化学环境差异,难以完全复刻工业应用中的实际空化行为。
- 振动源单频假定:模型基于单一激励频率,实际工业环境中存在复杂频率耦合,可能影响空化规律。
这些因素的存在可能对研究结论的适用性构成一定风险,但报告中均有相应说明和实验验证以减轻不确定影响。
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6. 批判性视角与细微差别
- 报告中对装置结构的简化(如忽略连接螺栓动态),导致模拟与测量在侧向振幅存在差异,反映了模型刚性与实际复杂耦合的有限。
- 空化阈值经验采纳0.9 MPa,未结合实际液体与温度动态变化,空化区界定存在近似。
- 实验采用水环境模拟空化,以及铝箔侵蚀间接反映空化,未能完全再现铝合金熔体中复杂的高温化学环境空化效应。
- 振动范围和空化分布存在非连续且深度相关的复杂结构,报告文字对这些复杂空化区分散性的解释较为简明,有待进一步多频激励和多环境变量耦合研究深化理解。
- 但总体上,模拟数据和实验数据的较好吻合,强化了结论的可靠性。
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7. 结论性综合
本报告系统研究了铸造超声辐射器中纵向和横向振动引起的空化区结构与性质,通过有限元声固耦合模型对超声系统动力学特性及声压场进行了细致模拟,并结合水中振幅测试及铝箔空化侵蚀实验进行了验证。
- 振动特征揭示:辐射器端面纵向振动为主要振动形式,振幅呈中心最大、边缘递减的正弦分布,侧面存在次要的横向振动峰值,二者共同塑造实际振动状态。
- 空化区域形貌与分布:空化区域集中于辐射端面正下方,声压和空化强度随端面距离递减,且随浸入深度增加,空化区呈现多个离散分布,侧面出现小范围弱空化。
- 模拟与实验一致性:振幅实验与模拟整体吻合,铝箔侵蚀区与模拟空化区位置、范围及强度分布基本匹配,验证了声压场模拟的有效性和准确性。
- 研究意义:该项研究为理解和预测超声铸造过程中的空化场提供了理论和实验基础,有助于优化超声处理工艺设计,提高金属组织调控能力。
综上,报告提供了结合动态特性分析和声固耦合数值仿真的有效方法,成功描绘了超声辐射器环绕的空化区域及其动力学特征。研究结果具备一定的工程指导意义,推进超声场与金属微观结构控制的关联研究,具备较强的创新性和实用价值。[page::0-6]
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