旋转超声动力拓扑选型研究

超声驱动是一种极具生命力的机电一体化直接驱动方式。动力拓扑选型目前已成为继早期的新原理、新结构研究的国际公认难题。本项目面向驱动/传动的国际学术前沿和国家发展高端驱动/传动的重大需求，围绕拓扑构型与动力特性的关系这一重大科学问题，密切结合超声振动的产生、传播及叠加的特殊机理，研究几何构型、压电激励及界面摩擦的对称性与机电耦联超声振动之间的动力调谐规律，针对不同应用场合给出具体的动力选型准则，并据此研发一种动力调谐式旋转超声驱动装置，还将开展以动力选型为核心的设计、制造及性能完善工作。在上述研究的基础上，进一步探讨各类驱动/传动的动力调谐理论及普适选型准则。期望在驱动/传动机理、拓扑构型遴选、新产品研发、性能提升技术等方面，取得突破性进展。该研究对完善超声驱动基础理论、实现高端驱动品质的显著提升、促进不同领域及学科的实质性交叉融合以及引领动力调谐技术的工程应用，均将起到重要的支撑和推动作用。

本项目研究了行星传动、永磁电机尤其是行波超声电机等循环对称系统的动力学特性。采用哈密顿原理建立了超声电机的弹性动力学模型。该模型计入了周期结构、压电激励及界面摩擦。基于该模型，本项目研究了刚弹相位调谐、模态分裂及参激振动问题。借鉴一般周期结构的时空相位规律，创造性地提出了压电激励时空相位的约束关系，进而得到了行/驻波的一般激振条件。提出了分裂模态处由驻波激励产生的动态响应分析方法，得到了不同于经典文献的结论。实验结果证明了理论预测的正确性。此外，本项目还采用解析方法研究了单/双环循环对称结构的自由、受迫和参激振动，并给出了基于Floquet理论的数值验证。为了避免经典摄动方法小量约束的影响，通过引入载荷随动坐标系，将时变系统等效为陀螺系统，采用一般振动理论得到了解析形式的特征值，进而确定了稳定边界。相关研究成果已在ASME CND、ASME JVA、JSV、ND和ImechE等高水平学术刊物发表，还申请了国家发明专利。利用上述理论研究成果，本项目开发了时空相位可调的超声激振装置。此外，还积极开展对外学术交流，访问了美国奥本大学的非线性系统研究实验室，还参加了ASME和IEEE国际会议。