前端开孔的大振幅柱型超声变幅杆

提出了一种前端开横向矩形通孔的柱型变幅杆.利用有限元方法计算了谐振频率下振幅放大倍数和输出端面位移分布,研究了孔尺寸对变幅杆谐振频率的影响并优化了孔尺寸,得到最大放大倍数,与传统变幅杆相比放大倍数有大幅提高.分析了优化前后变幅杆的应力.将变幅杆与换能器相连接,激光测振仪测试了振动系统的频率、振型、变幅杆的输出端面位移分布及相对于变幅杆输入端的振幅放大倍数,测试结果与有限元计算结果一致.测试结果还表明激励电压与变幅杆输出端位移具有线性关系.     

超声磨削杯形工具变幅器的设计与试验分析

为得到更为有效的设计理论,将杯形工具变幅器分为圆锥形变幅杆、圆盘和圆管三部分,利用Mindlin中厚板理论求得圆盘的位移、转角、弯矩和剪力的解析表达式,并建立了圆锥变幅杆和圆管的位移与应力函数关系。通过振动单元之间的连续条件以及振动单元的边界条件,建立了杯形工具变幅器整体的频率方程。基于此理论设计了杯型工具变幅器,通过有限元模态分析、阻抗分析试验和超声谐振试验对设计理论进行了验证。仿真结果表明,变幅器的谐振频率与设计频率相符合;试验结果表明,谐振系统的实测频率与设计频率相符合。试验结果验证了杯形工具变幅器设计方法的正确性,为超声磨削系统的设计提供了理论依据。     

弯曲振动圆盘变幅器的动力学特性研究

根据圆盘在珩齿加工过程中只有圆节线的弯曲振动,并采用圆锥型变幅杆,推导了变幅杆和圆盘组成的变幅器的频率方程,求出了变幅器设计参数的数值解;用有限元对该变幅器进行模态分析,发现谐振频率与数值解接近.在此基础上,对设计的变幅器进行了动力学实验,测得的动力学参数与理论结果一致.通过计算变幅器中变幅杆和圆盘各自独立的谐振频率,发现与变幅器的谐振频率误差较大,说明变幅器设计时必须同时考虑变幅杆和圆盘的影响,否则设计的变幅器谐振频率误差过大.     

具有夹角结构纵振动变幅杆的设计方法

变幅杆是功率超声纵振系统中的关键部件之一,常见的是沿直线方向传播的变幅杆.有的应用场合需要变换纵振动传输方向.本文研究了具有夹角结构的超声纵振动变幅杆的设计方法.利用两端自由边界条件和夹角连接处的位移、力、弯矩及转角连续条件建立了设计变幅杆的频率方程,给出了计算变幅杆振幅放大系数的方法.利用本文中提出的设计方法,计算了若干个由两段杆组成的不同夹角的变幅杆的谐振频率,与有限元计算结果及Vib Pilot系统测试的变幅杆频率基本一致;后与谐振频率为19.8k Hz的压电换能器相连接,激光测振仪测试了系统的谐振频率、变幅杆的放大系数及变幅杆输出端面的振型.测试得到的变幅杆的放大倍数、振型与计算结果吻合.测试的端面振型呈活塞振动,说明在谐振频率上将换能器激励的沿水平方向的纵向振动,经过变幅杆成功地变换到了其输出端上.最后,对该型变幅杆作了大量计算,得出了放大倍数随几何尺寸变化的规律.     

夹角型超声变幅杆的矩阵解析法

对新型的夹角型超声变幅杆的设计方法进行研究,借鉴传输矩阵法的思想利用一维振动理论推导了均匀杆两端界面各矢量间关系的特性矩阵,结合变幅杆连接处位移、力、转角和力矩的连续条件得到了夹角型超声变幅杆谐振频率的矩阵解析法.计算了不同尺寸变幅杆的谐振频率,计算结果与实验测试结果相一致.     

输出端为锥形的夹角型超声变幅杆

传统超声变幅杆能量沿轴线方向传播,有些应用场合需要改变纵振动传播方向,并有较好的振幅放大系数.作者提出了输入端为均匀圆柱、输出端为锥形的夹角型超声变幅杆.为了研究该文所提出的变幅杆的声学特性,利用有限元方法计算了不同尺寸超声变幅杆纵振动的谐振频率、放大系数与位移分布.结果显示,谐振频率、放大系数都与变幅杆的夹角、输入输出杆的几何尺寸有关;同尺寸锥形输出杆的变幅杆比均匀杆输出杆的放大系数更大,影响振幅放大系数的主要因素是变幅杆的截面比.加工了9个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测试了其振型、频率、与振幅放大系数,结果表明在输出端上成功实现了纵振动传输,振幅得到了放大,且放大系数测试值与计算值基本一致.     

变幅杆位移节点和应变极大位置的关系

针对常见单一形状函数纵振变幅杆,采用解析方法研究了谐振长度、位移节点和应变极大点之间的关系.计算发现在谐振频率下,变幅杆位移节点与应变极大点位置之和约等于其一阶谐振长度.对新型的贝兹曲线变幅杆也做了相应计算,结果验证了该结论的正确性,此结论有助于变幅杆设计计算过程的简化.     

非谐振大工具头变幅杆优化设计及声学特性测试

采用分段近似趋近法,将砂轮简化为圆柱体,将它和变幅杆组合成变幅器并建立整个变幅器的动力学模型。利用传输矩阵对其进行理论分析,并得到各段直径、长度对整个变幅器放大系数的影响规律。在此基础上进行ANSYS有限元优化,优化后频率偏差降低了4.7 Hz,放大系数增加了1.73%,位移节点向前移动了6.9mm。相关动力学特性测试发现,所设计的超声声学系统的输出端能够达到滴水雾化的效果,且在8h连续工作过程中纵振效果良好,从而实现了非谐振大工具头变幅杆的设计。     

傅里叶变幅杆的外形函数与性能分析

为设计振幅放大系数和形状因数均优良的变幅杆,研究了以不同阶次的傅里叶级数为振动位移函数的傅里叶变幅杆模型。推导了不同阶次傅里叶级数时变幅杆的外形函数,计算了相应的形状因数和位移节点。利用有限元方法计算了变幅杆的谐振频率、位移幅值和位移节点,并比较了其与传统变幅杆的性能优劣。结果表明：当面积系数较大时(大于3.34),阶梯形变幅杆的振幅放大系数最大,其次是二阶傅里叶、悬链线形、指数形,最小为圆锥形;圆锥形变幅杆的形状因数最大,其次是指数形、悬链线形、二阶傅里叶,最小为阶梯形。谐振频率与面积系数相同的条件下,二阶傅里叶变幅杆的振幅放大系数远大于指数形、悬链线形和圆锥形变幅杆的相应值,其形状因数远大于阶梯形变幅杆。在同时考虑振幅放大系数和形状因数的条件下,相较于传统变幅杆,二阶傅里叶变幅杆综合性能更好。     

粗细端不等长阶梯形变幅杆谐振频率的实验研究

研究了粗细端不等长阶梯形变幅杆的谐振频率,分析了谐振频率的降低系数β随面积比的对数lnN2变化的规律,发现粗细端不等长变幅杆与等长变幅杆谐振频率系数随面积比对数的变化关系相似,并且在lnN2>2.40时与局部共振现象吻合.这为阶梯形变幅杆的研究和设计提供了一定依据.     

1/2波长复合变幅杆的数值设计

为改善超声加工中变幅杆的某些性能,如提高放大系数等,需设计1/2波长复合型变幅杆。在传统变幅杆理论基础上,提出了一种复合变幅杆的数值设计方法,不需要进行繁琐的公式推导即可方便地计算得到复合变幅杆的固有频率、节点位置、位移曲线、放大系数等参数。计算结果与传统设计方法及有限元分析结果进行了比较,三者非常吻合,表明了数值设计法的可行性和有效性,为复杂的复合变幅杆设计、分析提供了一种新的方法。     

超声纵振动空心变幅杆的特性

基于解析法推导了内孔分别为锥形和柱形的锥形变幅杆的频率方程及各参数表达式,利用有限元法计算了这两种变幅杆和对应空心部分填实后实心杆的应力及振动位移沿轴向分布的规律。结果表明:谐振频率和面积系数相同时,内孔为锥形杆的放大系数最大,柱孔杆次之,实心锥形变幅杆最小;各变幅杆的位移节点与应变极大位置之和近似等于其半波长谐振长度。进一步还证明了空心变幅杆与实心变幅杆具有相同的等效电路。     

宽端接圆柱杆的复合指数形变幅杆的设计

利用替代法得到了复合指数形变幅杆的频率方程,在此基础上解算出谐振长度、放大系数等重要参数,并借助于ANSYS软件对复合变幅杆进行模态分析.结果表明该方法对复合形变幅杆的设计是可行的,也显示了ANSYS在变幅杆设计中的重要性.这给其他复合变幅杆的设计提供了参考.     

径向穿孔超声变幅杆纵振特性的有限元分析

为解决大功率超声换能器的发热问题,对径向穿孔变幅杆的纵向振动特性进行了研究.利用有限元数值仿真方法探讨了穿孔深度、孔径及穿孔数量对变幅杆共振频率的影响,以及有无穿孔情况下其轴上位移振幅及振速的分布.结果表明:一端穿孔使得变幅杆谐振频率增大,节面穿孔使得变幅杆谐振频率降低,且基频频率仿真结果和理论计算结果的相对误差随穿孔数量、孔径及穿孔深度的增加而减小;不同位置穿孔对等截面及变截面变幅杆位移及振速放大系数影响均不大,且均对变幅杆节面位置影响很小;一端穿孔的变幅杆可获得更高的振动位移及振速;数值计算与有限元仿真结果较好吻合.此结果将有利于散热型大功率超声换能器的研究.     

超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能影响

基于变截面杆纵振动的波动方程，推导出安装简单工具双曲过渡形复合变幅杆频率方程和放大系数的一般公式，并讨论了超声波加工工具对复合变幅杆谐振性能的影响．随着工具长度和直径的增加，变幅杆谐振频率下降，应根据工具尺寸相应调整复合变幅杆末端长度，才能保证更好的谐振．推导出的一般公式为超声变幅杆及其工具的设计和使用提供了理论依据。     

超声变幅杆振动温升及其对振动稳定性的影响

在变幅杆振动中,变幅杆的自身阻尼特性以及与螺栓/工具头的耦合会导致明显温升.为研究该温升特性并探讨其对变幅杆振动稳定性的影响,采用数值模拟得到了纵振变幅杆的总功耗密度和温度分布;通过红外热成像测试对变幅杆理论温升进行了验证,并分析了不同材料的螺栓与工具头连接对温升的影响.结合数值模态分析与实验分析,进一步探讨了温升对变幅杆谐振频率与振幅的影响规律.结果表明,变幅杆连续运行时温升趋于平衡,该平衡点取决于螺栓材料、变幅杆材料和环境因素.对于低阻尼TC4钛合金变幅杆,螺栓处能量损耗为主要热源,其中45钢螺栓发热量占97.7%,而采用TC4钛合金螺栓和TU2紫铜工具头可显著减小温升.同时发现,变幅杆谐振频率与温升成线性负相关,振幅因温升有所降低,二者均稳定在平衡温度点.     

变幅杆斜槽参数对纵弯振动系统的影响

为了实现超精密切削,设计了二维纵弯超声振动系统中变幅杆的结构。通过分析开斜槽变幅杆的结构,理论上揭示了斜槽位置d、斜槽倾斜角α、斜槽长度l和斜槽间距h对变幅杆的谐振频率和纵弯两个方向振幅的影响规律。采用有限元动态数值模拟分析,得到不同斜槽参数情况下的谐振频率、振幅。发现随着α、l逐渐增大,模态频率呈现整体下降趋势,当α=45°时,弯曲振幅最大。在d=15mm附近,振幅值最小,并且随h变大,振幅变小。利用正交参数的极差分析法得到斜槽各参数对谐振频率和振幅影响力度的主次。进一步通过实验,发现了随着α、h逐渐增大,谐振频率整体下降,且振幅随h的增大而减小。实验结果表明α通过对振幅的影响进而实现对切削力的控制,这与理论分析结果一致。     

高频超声在变幅杆件中传播损耗的测试

应用2.5 MHz超声探头,在两组不同尺寸阶梯形变幅杆中获得了相同测试条件下的超声回波信号.再利用数字示波器对信号进行采样,得到了数字化超声回波时域信号.根据傅里叶变换理论,得出了回波信号的波形和功率谱图,进而发现超声能量在这些不同尺寸变幅杆中谐振频率附近传播衰减的规律.结果表明,变幅杆放大系数大,从一端传递到另一端的平均声能量密度大.超声在阶梯形变幅杆中传播,其谐振频率附近回波功率谱线幅度与变幅杆几何尺寸有关.     

阶梯型变幅杆弯曲振动频率的计算及分析

为准确计算阶梯型变幅杆的弯曲振动频率,分别用单独考虑转动惯量或剪切变形影响的Euler-Bernoulli理论,和同时考虑转动惯量和剪切变形影响的Timoshenko理论,解析计算了其弯曲振动频率,进一步利用有限元方法数值计算了相同变幅杆的弯振频率。将不同的理论计算值与实验测试值进行比较,得到相应误差。结果表明:当阶梯杆的长度和大端面直径比小于5时,相对于另外两种方法 Timoshenko理论计算结果的误差最小。     

圆锥过渡复合变幅杆动力学特性研究

为了改善变幅杆的形状因数,增加放大系数,用解析法设计了一种圆锥过渡复合变幅杆,计算了它的动力学参数。在此基础上,用ANSYS软件对变幅杆进行动力学分析,求得了对应的动力学参数,并用实验测得了这些参数。通过对比分析,说明了用ANSYS设计变幅杆的可行性,同时给出了变幅杆有限元分析及动力学实验的技术路线,为截面形状复杂的复合型变幅杆设计提供了一种有效的方法。