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。     

1/2波长复合形变幅杆的有限元分析

为了改善变幅杆的某些性能,如增加放大系数,提高超声波加工材料去除率,该文探讨了1/2波长复合形变幅杆。运用有限元软件对变幅杆进行动力学分析,包括模态分析和谐响应分析,获得了若干重要参数,如共振频率、位移节点和放大系数等。从模态分析中可以得到变幅杆的纵振频率为19 769 Hz,放大系数为2.27。研究结果为超声变幅杆的设计、校核和分析提供了一种新的方法。     

带压电片的阶梯形变幅杆的优选

在功率超声中,经常将压电片和阶梯形变幅杆组合在一起使用,其组合形式是多种多样的,到底那一种形式的结构最优,我们通过改变阶梯形变幅杆的粗棒长度;研究细杆长度的变化;位移、振幅、放大倍数的变化;细杆输出端位移、振幅的变化;给出三个理论和实验分析曲线图,优选出该变幅杆的粗端长度。     

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.     

短纤维端部形状对其增强复合材料应力分布的影响

采用ABAQUS软件分析了不同纤维端部形状下碳纤维增强树脂基复合材料的纤维端部应力分布。考虑的纤维端部形状包括平面、半椭球面、楔形面。结果表明:当长径比≥0.75时,半椭球面纤维端部复合材料力学性能优于平面和楔形纤维端部复合材料。进一步研究了界面相厚度、界面相弹性模量对纤维端部轴向应力和剪应力的影响。结果表明:轴向应力σB随界面相弹性模量的增加逐渐减小,界面相弹性模量较小时(E≤4 GPa左右),剪应力τD随着界面相弹性模量的增加而迅速增加,此后τD基本保持不变;当E≥3 GPa左右时,轴向应力σB随界面相厚度的增加逐渐减小。在所研究的界面相厚度(0.1、0.2、0.3μm)范围内,τD基本不随界面相厚度的变化而改变。所以界面相弹性模量应尽可能小于并接近于树脂基体的弹性模量(4 GPa),并适当增加界面相厚度有利于抑制界面脱粘破坏。     

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.     

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。     

幂函数超声变幅杆理论研究与模态分析

依据变截面杆纵向振动波动方程，给出了幂函数形变幅杆的频率方程及重要参数计算公式，并与其他类型变幅杆进行比较．结果表明，幂函数变幅杆具有与指数形变幅杆相同的放大系数，与阶梯形变幅杆有相同的谐振长度，且这种变幅杆不存在截止频率．用有限元软件Ansys进行模态分析表明，幂函数形变幅杆共振频率的模态分析值与一维理论值吻合．     

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。     

超声变幅杆的扭转振动特性研究

利用变幅杆等效四端网络,首次对扭转振动超声变幅杆在负载为纯力抗和纯力阻时,分别推出了扭转振动变幅杆的频率方程及放大系数一般表达式,计算了圆锥类负载扭转变幅杆频率方程和放大系数,并绘制了共振频率和放大系数随抗性、阻性负载的曲线图,为扭转变幅杆的设计提供理论基础。     

悬链线形变幅杆的理论研究和有限元分析

根据一维变截面杆纵向振动的波动方程,推导了悬链线形变幅杆的等效电路,由等效电路得出了其纵向振动的频率方程.利用有限元软件ANSYS对一组悬链线变幅杆进行谐响应分析和模态分析,得到了位移-频率曲线和共振频率；结果表明,模态分析值与理论值吻合很好.这对悬链线形变幅杆的实际应用具有一定的参考意义.     

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.     

Ti-6Al-4V钛合金弯曲疲劳行为与损伤机理研究

研究了Ti-6Al-4V(TC4)钛合金在不受轴向拉应力作用下的弯曲疲劳行为,设计了悬臂梁弯曲疲劳试验机对TC4钛合金进行弯曲疲劳试验,利用ABAQUS有限元模拟软件结合损伤模型模拟预测TC4钛合金的弯曲疲劳寿命.通过对TC4钛合金进行7种不同弯曲疲劳幅值下的试验与模拟,研究了TC4钛合金在弯曲疲劳过程中的应力分布与损...     

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.     

扭转振动超声变幅杆的负载特性研究

文章在等效网络的基础上,首次对扭转振动变幅杆在负载为纯力抗和纯力阻时,分别推出了扭转负载变幅杆的频率方程及放大系数一般表达式,计算了圆锥类负载扭转变幅杆频率方程和放大系数,并绘制了共振频率和放大系数随抗性、阻性负载的曲线图,并对结果进行分析,为扭转变幅杆的设计提供理论基础。     

尺寸效应对纳米银杆拉伸力学特性的影响

采用分子动力学方法研究了圆柱纳米银杆沿[001]晶向单向拉伸时的力学特性，纳米银杆拉伸时所表现出的特性与其宏观特性基本一致．拉伸过程分为弹性变形和塑性延展2个阶段：在弹性变形阶段，应力随应变的增大呈线性增大；在塑性延展阶段，应力则表现出反复振荡，系统由一种结构经错动、滑移演化为另一种结构，是造成此种现象的一个重要原因．研究结果表明，随纳米银杆整体尺寸的增大，纳米杆的弹性模量增大、弹性极限应力减小，并都随整体尺寸的增大而趋于宏观值．随着纳米杆单方向的减小，纳米银杆的弹性模量和弹性极限应力均有不同程度的增加，并不随单方向的增加表现出趋于宏观值的一致规律．     

指数形负载超声变幅杆频率方程与放大系数的研究

求解了加负载时超声变幅杆的放大系数，得到了加负载时放大系数的统一算式．利用变幅杆纵向振动四端网络等效电路，计算了指数形变幅杆负载为纯阻与纯抗时纵向振动共振频率方程和放大系数．通过Matlab软件绘制了共振频率及放大系数随负载变化的曲线．结果表明，负载较小时，频率与放大系数有较快的改变；负载较大时，频率与放大系数变化较小，基本趋于稳定．     

TC4热氧化钛合金内空半球壳体的动态响应

利用有限元程序对TC4(Ti-6Al-4V)热氧化钛合金内空半球壳体进行子弹冲击模拟,基于准静态压缩实验和动态Hopkinson压杆实验数据,研究了径厚比、冲击速度、应变率效应对TC4热氧化钛合金内空半球壳体动态响应的影响,得到了不同工况下的TC4热氧化钛合金内空半球壳体的接触力峰值以及顶点位移.TC4热氧化钛合金的材料模型由实验数据拟合得到的考虑应变率效应和温度效应的Johnson-Cook本构方程描述,其中,实验数据由Hopkinson压杆技术测得.结果表明:接触力峰值和顶点位移均与径厚比成反比;接触力峰值和顶点位移均与冲击速度成正比;考虑应变率效应更能反映TC4热氧化钛合金内空半球壳体的抗冲击能力和抗变形能力.     

激光立体成形TC4钛合金动态剪切特性研究

采用微型霍普金森压杆装置和双剪切试样对激光立体成形TC4钛合金的高应变率动态剪切特性进行了研究.通过数值模拟方法从应力、应变均匀性和应力三轴度方面对双剪切试样的缺口形状、剪切区宽度和长度进行优化设计.采用实验方法,分析了不同取向的激光立体成形沉积态TC4钛合金的高应变率（10⁴ s^-1量级）剪切性能.结果表明,动态剪切力学性能并没有明显的各向异性,流动应力随应变率的增大而增加,二者大致呈线性关系.     

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.