超声波/声波能量耦合动力学行为及应用研究

针对深空探测中对科学钻探的需求，开展基于压电单晶（PMNT）的超声波/声波能量耦合动力学机理及控制研究，运用该原理实现小巧、低能耗、小轴向力且环境适应性强的钻探新技术。首先，结合理论与实验确定PMNT在极端环境下的压电热弹性本构模型，研究PMNT超声换能器的驱动特性。其次，研究超声波/声波能量耦合现象的非光滑动力学本质和规律，运用广义变分原理建立基于PMNT的系统力电热耦合模型，分析系统的动力学特征与输出性能的关系。之后，探索物理参数对系统非线性动力学行为和输出特性的影响，研究基于非光滑参数（间隙、振动模式切换等）的控制方法以提高系统适应性。最后，制造出PMNT驱动的超声波/声波系统，开展极端环境下基于柔性平台的系统实验研究。从中总结、提炼极端环境下基于PMNT的超声波/声波系统的设计理论和方法，力争为我国登月探测的科学钻探提供新的解决方案和关键技术支持，促进PMNT单晶在新领域的应用。

本项目获得了预期的研究成果：建立了超声波/声波能量耦合系统的有限元模型，采用显式算法对超声波/声波振动能量耦合下的应力波构成和传递进行了数值仿真，很好的阐释了超声波/声波能量耦合系统的工作机理；建立了换能器用压电单晶（PMNT）陶瓷的力电热本构方程，将超声波/声波能量耦合系统抽象为非光滑多自由度碰撞振动系统，建立了具有分布式参数的多物理场耦合模型，分析了系统复杂的动力学行为以及输出特性；研究采用PMNT的超声波/声波钻探器（USDC）在不同环境温度下的性能变化规律，验证了采用PMNT的钻探器在低温下的优势；分析了不同参数（自由质量、激励电压、钻杆参数）时系统的振动特性以及输出性能并提出相应控制方式，试验分析了自由质量的运动规律，分析了不同自由质量与输出性能之关系；最后，成功的制作出了可实际运行和钻探的USDC样机，同时设计了采用USDC作为支撑的机器人，开展了基于USDC的机器人步态规划和初步试验，该型机器人具有可攀爬大坡度的潜质。本项目发表文章16篇，成果汇编入1部英文专著（Springer-Verla出版社），申请专利1项。