几种扭振超声变幅杆的理论推导及设计用表的计算机编制

本文推导出指数型、类圆锥型、类悬链线型和两段圆柱等长的阶梯型扭振变幅杆的理论计算公式和方程,用电子计算机编制出这些变幅杆的主要性能及尺寸参数数据表,并对这些参数进行了简要的说明,绘制出对比曲线,举了设计实例。     

余弦类变幅杆的提出和讨论

提出两种新型的超声变幅杆——涂弦型纵振杆和类余弦型扭振杆,给出其性能及尺寸参数计算式,对它们的特点和实用性进行了讨伦。     

纵-扭同频复合超声振动变幅杆设计

为了在切削与焊接加工过程中获得超声变幅杆的纵-扭复合振动,本文通过对纵-扭转振动模式下的圆锥过渡阶梯形复合变幅杆进行理论分析,得出其纵-扭振动的共振频率方程以及振速放大倍数,并对复合变幅杆的三段长度进行控制,实现了纵-扭复合同频共振.利用有限元软件ANSYS对理论设计的复合变幅杆进行结构动力学仿真分析,结果表明有限元分析与理论计算结果吻合较好.     

用电子计算机编制超声变幅杆设计用表

变幅杆是超声波振动装置的关键元件之一,其设计计算比较复杂,特别是要解一系列超越方程,使计算更显困难。但定义三个新系数并经适当变换后,可使其计算公式和方程变成只含一个自变量,因而可用电子计算机编制设计用表,使设计计算十分简便准确。本文第(一)部分介绍最常用的简单指数型、圆锥型、悬链线型和等长圆柱的阶梯型半波谐振变幅杆公式和方程的变换方法、利用电子计算机计算的顺序方框图和设计用表的使用举例。含指数型、圆锥型、悬链线型过渡段的阶梯型半波谐振复合型变幅杆的设计计算比简单型变幅杆更复杂和困难些,但其可扩大变幅杆使用的适应范围。本文第(二)部分是对经过与第(一)部分类似变换后的这三种复合型变幅杆进行计算的方法简述、计算结果概述和使用设计用表进行变幅杆类型的对比选择和设计计算的例子。     

扭振超声变幅杆截面函数的理论推导

通过对扭转振动方程解的分析,导出使扭转振动方程具有函数解的各种变幅杆的截面函数式.除使以住研究过的指数型、类圆锥型、类悬链线型和阶梯型杆的截面函数得到证明外,还导出了类余弦型和双曲正割型两种新杆型。     

复合超声纵振型变幅杆的简化设计

传统设计复合纵振变幅杆的方法是利用各形状函数杆之间的位移和力连续的边界条件，确定方程中的待定系数，导出频率方程，利用各形状函数分界面之间机械阻抗相等的方法设计复合纵振变幅杆，可简化设计，物理意义明显，这种方法也适用于复合扭振变幅杆的设计。     

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。     

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.     

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。     

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。     

以ANSYS进行扭振超声变幅杆振动特性分析

运用ANSYS有限元软件分析了指数型扭振变幅杆的振动特性,所反映的固有频率、振型、位移节点、放大系数等一些重要参数以及它对外部激振力的响应与传统理论方法的结果相当吻合。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

纵振复合双足直线超声电机

为了有效提高超声电机的机械输出性能,研制了一种纵振复合双足直线超声电机.该电机由两个竖直纵振换能器和一个水平纵振换能器组成,水平纵振换能器上变幅杆末端小端面与竖直纵振换能器变幅杆大端侧面结合,且变幅杆为采用一整块硬铝合金加工而成的一体件.对电机的工作原理进行了分析,利用有限元方法对电机进行了设计与仿真,实现了电机两个基本振动模态特征频率的简并.采用多普勒激光测振仪对样机振动特性进行了测试,测试结果与有限元分析结果吻合良好.机械输出特性测试结果表明,样机最大速度为602 mm/s,最大推力达32 N.     

多台阶过渡段阶梯型变幅杆的设计

为了减小阶梯型变幅杆截面突变处的应力及降低加工成本,提出了多台阶过渡段阶梯型变幅杆。基于声传输线方法推导了变幅杆的频率方程,求解了放大系数。利用有限元方法计算了沿轴向的位移和应力分布曲线。结果表明:与无过渡段的阶梯型变幅杆相比,多台阶过渡段阶梯型变幅杆的放大系数变化不大,应力相对值的峰值却明显减小;与圆锥、圆弧过渡段阶梯型变幅杆相比,放大系数相近,应力相对值的峰值相同。     

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。     

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。