纵振换能器谐振频率的研究分析

为得到纵振换能器不同尺寸参数下的谐振频率,满足超声塑化不同聚合物颗粒的要求,需要分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律。推导纵振换能器的频率方程,利用Matlab数值求解不同尺寸参数下纵振换能器谐振频率,数值和仿真分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律,实验验证数值和仿真分析的正确性。研究结果表明：推导纵振换能器频率方程求得谐振频率解析值、仿真值和实验值有较好的一致性,最大误差小于4%,验证了数值分析求得纵振换能器谐振频率的正确性。谐振频率随着纵振换能器尺寸参数的增大减小,变幅杆长度和放大比对谐振频率影响较大。     

纵振换能器谐振频率的数值研究与仿真分析

为得到纵振换能器不同尺寸参数下的谐振频率,满足超声塑化不同聚合物颗粒的要求,需要分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律。推导纵振换能器频率方程,利用MATLAB数值求解不同尺寸参数下纵振换能器的谐振频率,数值和仿真分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律,实验验证数值和仿真分析的正确性。研究结果表明:推导纵振换能器频率方程求得谐振频率解析值、仿真值和实验值有较好的一致性,最大误差小于4%,验证了数值分析求得纵振换能器谐振频率的正确性。谐振频率随着纵振换能器尺寸参数的增大而减小,变幅杆长度和放大比对谐振频率影响较大。     

变幅杆共振频率与力抗负载关系数值分析

应用数值计算方法，分析了力抗负载对变幅杆谐振频率的影响．基于变截面杆纵向振动波动方程，推导出了变幅杆在力抗负载情况下的共振频率方程，通过对方程中相对阻抗比的不同赋值，得到了变幅杆相应的共振频率，从而得到共振频率随力抗负载的变化关系．结果表明，随着力抗负载的增大，即从容性负载增大到感性负载，变幅杆谐振频率逐渐下降，感性负载的频率调节范围大于容性负载，共振频率随力抗负载的变化趋于两个不同的极限值.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究

各边界条件下矩形厚板辐射声场的辐射声场的解析解很难得到,因此利用有限元法分析了由夹心换能器与矩形厚板组成的新型纵弯复合换能器谐振频率的影响因素和辐射声场。结果表明矩形厚板几何尺寸对纵弯换能器频率产生较大影响,谐振频率随着接触面积的增大而增大;随着厚度的增大,各模态频率变化趋势与单独矩形板随厚度增大时频率变化不同;频率较低时,谐振频率随着矩形板宽度的增加而增大,但在频率较大时振动比较复杂,规律不明显需根据具体实际情况确定;同时实验测试结果表明模拟结果与实验结果误差较小。辐射声场研究结果表明矩形板几何尺寸会对复合换能器声场产生不同影响,相同振动模式下随着频率的增加,换能器在各模态频率下的指向性峰值变大且越来越尖锐,并且在主峰外出现了较多次峰;当板厚度增加,相同模态下的指向性变得更加尖锐,其结论可为纵弯振动复合换能器实际工程应用提供理论参考和频率调试依据。     

单端输入多端输出的纵振动转换体的研究

传统的超声振动系统一般为一个换能器连接一套变幅杆(或还有工具头),产生沿长度方向上的伸缩振动,这就意味着一套超声振动系统只能加工、处理一个对象,不利于生产效率的提高.本文提出单端输入多端输出的纵振动转换体,由一个输入杆、纵振动变换器、多个输出杆组成.利用振动转换体输入杆、输出各杆两端面的自由边界条件,以及输入杆与变换器、变换器与输出杆连接处振动质元的纵向力、横向力、弯矩与转角连续条件,推导出了设计振动转换体的频率方程,对转换体的纵振动谐振频率进行了计算,与有限元法和实验测试值基本吻合.将振动转换体与纵振频率为19.80 k Hz的换能器相连接,激光测振仪测试了复合振动系统的纵振谐振频率和谐振频率处各输出杆的振型.结果表明,各输出杆端面为活塞振动.换能器若连接本文提出的纵振动转换体,可以实现纵振动的多端输出,处理多个工作对象.文中分析了实现纵振动的转换原理,并通过计算得到了纵振动转换体的谐振频率与各振动部件的几何参数、角度的关系.     

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.     

抗性负载下常见形状函数变幅杆振动特性的比较

利用数值计算方法，分析和比较了3种常见形状函数变幅杆在抗性负载下的振动特性．结果表明，变幅杆的共振频率随容性负载增大而升高，随感性负载增大而降低；位移振幅放大系数随容性负载增大而减小，随感性负载增大先增大后减小．圆锥形变幅杆的共振频率和位移振幅放大系数受负载的影响相对较小，但是在小负载情况下，悬链线形变幅杆和指数形变幅杆有位移振幅放大系数大的优势。     

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。     

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.     

夹角型纵振变幅杆的有限元设计

对夹角型纵振动变幅杆进行了有限元设计,计算了不同尺寸变幅杆纵振动谐振状态下的放大系数与纵振动位移分布。结果显示:放大系数主要受变幅杆输入杆与输出杆的长度及半径的影响,输入杆与输出杆间的夹角对放大系数影响不大。而纵振动位移分布与节点位置则受角度影响较大。加工了5个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测量其振型与纵振动放大系数,测试显示纵振动可由输入端传递至输出端上,放大系数测试结果与有限元计算一致。     

APDL语言优化设计复合超声变幅杆

为得到大振幅比的复合型变幅杆,研究了优化设计的方法.以窄端带有圆锥杆复合指数形变幅杆为例,在给定谐振频率和变幅杆大端及小端直径条件下,以谐振长度为设计变量,谐振频率为状态变量,放大系数为目标函数进行APDL语言优化设计.以得到的最佳设计序列,与传统解析法和程序结合的优化设计方法进行比较.结果表明,有限元优化方法与传统解析优化法得到的最大放大系数值相同.文章提供了一种有限元优化设计变幅杆的方法.     

外接电感对轻负载阶梯型换能器频率的影响规律

现功率超声技术已被大范围应用,在实际加工中,其振动实现器件换能器的工况取决于外接负载阻抗的大小变化以及加工过程中换能器的温度变化;随着负载变化,换能器的谐振频率也将发生改变,导致与发生器输出频率不匹配,从而对换能器的输出振幅及加工效率产生负面影响。为得到规律,分别使用换能器的理论设计、仿真以及试验方法研究了轻负载下外接电感对换能器谐振频率的影响。结果表明：随着换能器变幅杆伸入水中长度的增加,换能器的谐振频率呈上升态势;通过外接调谐电感,换能器谐振频率会得到一定量的补偿,使其重新回到预先设定的频率值;随着外接电感值的增大,换能器的谐振频率会下降。可见使用电感负载可以有效解决换能器外接负载导致的频率漂移问题。     

纵扭共振旋转超声加工系统设计

针对目前纵扭共振超声加工系统中存在的振动方向单一、加工难度大等问题,该文设计一种新型螺旋槽式纵扭超声加工系统,通过数值计算法对纵扭超声加工刀柄进行了结构设计,运用有限元软件Workbench分析结构参数对超声振动系统谐振频率的影响规律,并在此基础上对纵扭超声加工系统进行瞬态分析。仿真结果表明,该旋转超声加工系统能够实现纵扭超声振动,且谐振频率与设计值误差为1.675%,振幅可达到预期要求。最后对该纵扭超声系统进行振幅测试,实验结果表明,纵振振幅为9.3μm,扭振振幅为4.5μm,验证了该文设计方法的合理性和正确性。