新型超声变幅杆的优化设计

基于VB平台迭代法优化设计超声变幅杆

基于VB平台迭代法优化设计超声变幅杆
杨晓燕;杨金华;洪加发
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2013(026)002
【摘要】论述了在VB平台上用迭代法优化设计超声变幅杆的过程.通过VB编程优化设计大大的缩短超声变幅杆设计周期,使设计精度得到显著提高,并且可以设计出用传统的设计方法所无法达到的最优方案.VB编程不但能用于机械设计计算程序,更重要的是能用于机械设计计算的研究,寻找最优的解为设计人员提供最佳的设计建议.
【总页数】3页(P127-129)
【作者】杨晓燕;杨金华;洪加发
【作者单位】苏州通鼎机械有限公司,苏州江苏 215000
【正文语种】中文
【中图分类】TH12
【相关文献】
1.浅谈基于VB的任意波发生器中关于VB的优化设计 [J], 王文斐;黄长建
2.基于ANSYS的超声变幅杆的优化设计 [J], 原丰霞;张慧君;朱国良
3.基于多目标遗传算法的贝塞尔超声变幅杆优化设计方法研究 [J], 纪华伟;赵双双;胡小平
4.基于代理模型的大尺寸矩形截面超声变幅杆的优化设计 [J], 赵仕杰
5.基于代理模型的大尺寸矩形截面超声变幅杆的优化设计 [J], 赵仕杰
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超声变幅杆参数化优化设计研究

ｍｐａｌｉｔｕｄｅｈｏｎａｒｒｅｉｎｐｕｔｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅｖｓｉｕｌｉａｎｔｅｆｒｃｅａｏｆＶＢ，ｎｄＶａＢｃｌａｌｓｔｅｈｏｐｔｉｍｉｚｅｄｉｌｆｅｖｓｉｕｌａｌｙｔｈｔｇａｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｈｅＡＮＳＹＳｅｒｈｅｔｐｒｏｇｒｍａｃｏｄｅｓｉｗｎｔ￣ｎ，ｎｄｕａｓｅｒｓｃｎａｓｅｌｅｃｔｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｆｒｏｅｓｕｌｔｓｉｎｔｅｈｗｏｒｋｉｎｇｄｉｒｅｃｔｏｒｙ，ａｎｄｐｒａａｍｅｔｒｉｃｅｓｄｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｌａｅｓｄｉｇｎｆｔｏｈｅａｍｐｌｉｔｕｅｄｈｏｒｎｉｎｖｉｂｒｔａｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｕｏｌｔｒａｓｏｎｃｉｒａｅｒｅｌｉａｚｅｄｉｎｔｈｉｓｗａｙ，ｗｈｃｈｉｗｉｌｌｎｏｔｏｎｌｙｏｖｏｉｄｓｏｌｖｉｎｇ
ｅｃｍｈａｎｉｃａｌｖｉｂｒｔｉａｏｎ￣ＴｈｅｏｐｔｉｍｉｚｔａｏｎｉｆｕｎｃｔｏｎｉｏｆＡＮＳＹＳｒｅａａｐｐｌｅｉｄｔｏｏｐｔｉｍｚｉｅｔｈｅｃｏｎｅ－ｓｈａｐｅｄｈｏｒｎｆｔｏｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ

超声变幅杆设计资料

3.2变截面杆纵振动的波动方程
考虑由均匀、各向同性材料所构成的变截面杆,在杆的横截面尺寸远小于波长时，不计其机械损耗，并设平面纵波沿杆轴向传播，即在杆的横截面上应力分布是均匀的。
图3.1变截面杆的纵振动[2]
图3.1所示的是变截面杆纵振的示意图，图中的轴是变幅杆的中心对称轴，作用在微小体元（，所限定的区间）上的张应力为，利用牛顿定律，加以推导,可以得处变幅杆理论的关键动力学方程［9]：
二、课题研究的基本内容和拟解决的主要问题
2。1课题的主要技术参数或研究目标
超声变幅杆的大端与换能器连接，小端与刀具连接，主要数据：大端直径87mm，小端直径17mm（圆锥形变幅杆大端87mm，小端37mm)，工作频率20KHz，所用材料为45钢。
2。2课题主要完成内容和工作量要求
（1）查阅和收集超声变幅杆相关方面的资料。
放大系数mp就是指变幅杆工作在共振频率时输出端与输入端得质点位移或速度振幅得比值形状因数就是衡量变幅杆所能达到最大振动速度得指标之一它仅与变幅杆得几何形状有关值越大所能达到得最大振动速度也越大输入力阻抗zi定义为输入端策动力与质点振动速度得复数比值变截面杆纵振动得波动方程考虑由均匀各向同性材料所构成得变截面杆在杆得横截面尺寸远小于波长时不计其机械损耗并设平面纵波沿杆轴向传播即在杆得横截面上应力分布就是均所示得就是变截面杆纵振得示意图图中得轴就是变幅杆得中心对称轴作用在微小体元所限定得区间上得张应力为利用牛顿定律加以推导可以得处变幅杆理论得关键动力学方程其中
（3。1)
其中: ——杆的横截面积函数；
--质点位移；
——应力函数;
—-杆材料的密度；
-—杨氏模量。
当处于简谐振动的情况下，式（3。3）又可以改写成
（3.2）

样条曲线型超声变幅杆节点优化

样条曲线型超声变幅杆节点优化段宇飞;白小云;轧刚;陈晓燕【摘要】A new type of ultrasonic horn with cubic spline curved generatrix of the axis cross section not only works below the Material Allowable working stress conditions,bat also with a better shape factor and greater amplification favtor is designed based on optimization of Ansys.The theoretical position of node is calculated using Matlab.In view of the amount of calculation of traditional method based on wave theory is large and the relative offset between the contour of the horn and the corresponding axis exists,a method of ultrasonic horn node localization based on Ansys optimization design method is proposed.Its correctness is verified in comparison with the node position calculated through theoretical method.%以3次B样条曲线作为超声变幅杆横截面的轮廓形状,应用有限元软件ANSYS的动力学分析功能与优化设计方法,设计出在既能满足材料许用工作应力、又具有较高形状因数与较大振幅放大系数的新型超声变幅杆.应用Matlab软件对其节点位置进行理论计算.针对传统基于波动理论的求解方法计算量大,变幅杆轮廓线质点与对应轴线质点之间存在相对偏移等问题,提出一种基于Ansys有限元动力学分析与优化设计方法的变幅杆节点定位方法.并应用于传统形状变幅杆进行比较,验证了其正确性.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】3页(P249-251)【关键词】超声变幅杆;节点;有限元;优化设计;插值函数;波动理论【作者】段宇飞;白小云;轧刚;陈晓燕【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH122超声变幅杆的性能对于整个超声振动系统十分关键。

解析带有加工工具的超声复合变幅杆的优化

解析带有加工工具的超声复合变幅杆的优化摘要：对于传统的带有加工工具的超声复合变幅杆的求解来说，具有很大的局限性，因此求得的结果不够精确，可以利用有限元法，设计并优化带有加工工具的复合变幅杆，对其性质进行分析，同时也要在保证其工作应力在相应材料允许的范围前提下，来得到最佳放大倍数以及谐振长度，来优化多个复杂形变幅杆。

关键词：超声复合变幅杆；优化；设计；方案前言随着科技的进步，材料技术也发生了很大的变革，一些脆性材料以及复合材料逐渐崛起，但是却也带来了一些问题，尤其是在加工中，存在很大的问题，脆性材料的精确度不够用高，并且可靠性不达标，阻碍了脆性材料的广泛应用。

而超声加工工具主要是利用超声发生器、换能器以及变幅杆与工具头组成，在超声振动系统中，超声变幅杆是重要组成部分，当工作频率在一定范围之中，超声换能器的辐射面仅有几微米，但是超声加工中需要的振幅很大，因此必须要利用变幅杆的聚能作用将振动质点的位移量以及速度放大。

1.传统的复合变幅杆设计人们将单一的变幅杆组合，形成复合变幅杆，这种复合变幅杆有很多类型，对于传统的复合超声变幅杆的设计来说，主要是利用母线形状不同的函数进行求解。

根据波动方程计算，对于各段之间的位移以及应力进行求解，计算谐振长度，最终完成设计。

对于工具杆长度的计算，主要是利用半波长理论进行设计。

但是在实际的应用中，为了能够增强工具的刚性，工具杆长度设计会偏小，同时为了能够保证系统工作频率的谐振，变幅末端的长度也会适当的缩短。

但是传统的函数计算公式都是属于经验公式，在计算结果方面存在很大的差异，并且微分方程具有很大的复杂性，因此，带有加工工具的复合形变幅杆，很难得到准确的结果。

另外，根据加工与安装的方便，变幅杆以及换能器与工具杆必须要用螺栓连接，因此采用解析的方法十分困难，并且传统的解析方法，会忽略这一点。

除了传统的解析方法之外，也有很多中变幅杆的设计，其中主要有替代发、等效电路法等。

2.带有加工工具的复合形变幅杆的优化方案对于复合形变幅杆中设计的优化性，要做一定量的动力学分析。

旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究

太原理工大学硕士学位论文旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究姓名：杨志斌申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：轧刚20080501太原理jI．．大学硕士研究生学位论文旋转超声加工装置的设计与新型变幅杆的研究摘要随着科学技术的发展，各种高性能的陶瓷材料不断涌现。

由于陶瓷材料具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，在机械、电子、航空、汽车等领域上具有广阔的应用前景。

但由于其硬度和脆性高，难以加工，应用受到制造成本的限制。

超声加工己被证明是陶瓷、石英、金刚石、半导体等硬脆性材料加工的有效方法。

传统的磨料悬浮液超声加工工具磨损大，加工精度和加工效率也不高，因此国内外都在寻找新的加工方法并研制相应的新型设备。

研究表明，在传统超声加工的基础上发展的采用金刚石工具的旋转式超声加工是加工硬脆材料的一种有效方法，具有良好的发展前景。

超声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成，其中的变幅杆在加工过程中处于极其重要的地位，它的主要作用是在其输出端：睁换能器输入的机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上。

振幅放大比是变幅杆的重要性能参数，对加工过程中的材料去除率有较大影响。

各种传统形状的变幅杆各有优点，但都不是最理想的。

指数形和圆锥形变幅杆的放大倍数较低，降低了加工效率；阶梯形虽然有比圆锥形和指数形变幅杆大的多的放大倍数，但其直径突变引起过高的工作应力，即使在突变处采用圆锥或圆角过渡可以降低工作应力，也要损失较大的振幅放大比。

随着有限兀理沦的完善和相关应用软件的发展，通过计算机育接进行变幅杆的设计成为可能。

本文以提高超声加T装置的效率为J斗J发点，设计并制造了旋转超声加工振动装置；通过对变幅杆的研究，设计出具有大振幅比的新型超声变幅杆。

主要研究内容有：太原理I：人学硕十研究生学位论文1．选购大功率超声波发声器与压电式换能器，设计并制造旋转超声加工机床振动装置。

2．应用解析法对传统的指数形、圆锥形、阶梯形变幅杆进行设计，求出其振幅放大比、节点位置、谐振长度等参数。

超声变幅杆的设计

本科毕业论文(2015届)题目超声变幅杆及其性能参数测试平台设计学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化班级学号学生姓名指导教师完成日期2015年5月诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《超声变幅杆及其性能参数测试平台设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人(签名)：年月日摘要本文从已知的变幅杆大小端直径、工作频率和材料出发，对超声加工系统中的变幅杆进行了研究。

本文主要包括以下研究内容：1.根据已有的变幅杆大小端直径，通过波动方程理论，完成对阶梯型、指数形、圆锥形三种变幅杆的外形设计计算。

2.利用有限元方法，借助有限元软件ANSYS对设计出的三种变幅杆进行动力学分析。

先在SolidWorks中建立三种变幅杆的三维模型，再导入ANSYS中进行模态分析和谐响应分析。

模态分析是指在规定超声波发生器所产生的振动的频率范围内，测定出变幅杆的各个固有频率。

谐响应分析是指确定变幅杆的一个固有频率，并在变幅杆的一个固定断面施加一个正弦规律的振动，再测定变幅杆的自由端的振动变化。

通过比较自由端和固定端的振幅大小变化，求出所设计的变幅杆的振幅放大比。

3.搭建实验测定平台。

搭建了单独测定变幅杆放大系数的实验平台，还搭建了测定超声振动系统性能的实验平台，并对已有的变幅杆加以实验测定。

通过阻抗分析仪、激光位移传感器等得到谐振频率、放大系数的实际测量数据，并判定了已有的超声振动系统的性能。

关键词：超声变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析；实验平台ABSTRACTStarting from the known diameters of both ends of ultrasonic horn, the working frequency and the material, the horn with the ultrasonic processing system were studied. This paper mainly includes the following contents:1.According to the diameters of both ends of ultrasonic, and by the theory of wave equation, complete the size calculation of tapered, exponential and stepped ultrasonic horn.ing the finite element method, complete the dynamics analysis of three horn by the finite element software ANSYS. First, we should set up 3D models of three horn in SolidWorks, and then import 3D models to ANSYS for modal analysis and harmonic response analysis. Modal analysis is in accordance with the ultrasonic generator vibration frequency range and determine each natural frequency of the horn. Harmonic response analysis is in the determined natural frequency of a horn, and the horn of a fixed section applied a sinusoidal vibration, to determine the vibration change of the free end of the horn. By comparing the amplitude change of the free end and the fixed to get the amplification ratio of the designed horn.3.Set up the experimental test platform.The experimental platform of measuring the amplification coefficient of variable amplitude rod is established, and then the experimental platform of measuring the ultrasonic vibration system performance is established, and the existing variable amplitude rod was measured experimentally. The actual measurement data of the resonant frequency and the amplification coefficient are obtained by the impedance analyzer and laser displacement sensor, and the performance of the ultrasonic vibration system is determined.Keywords: ultrasonic horn；finite element；modal analysis；harmonic response analysis；experimental platform目录第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 国内外研究发展历程 (1)第二章超声波加工概述 (4)2.1 超声波的特点 (4)2.2 超声加工的基本原理 (5)2.3超声加工的特点 (7)第三章变幅杆的设计 (8)3.1 变幅杆设计理论 (8)3.1.1 变幅杆设计概述 (8)3.1.2 变截面纵振动的波动方程 (8)3.2 指数形变幅杆的理论计算 (10)3.2.1 指数形变幅杆频率方程和谐振长度 (11)3.2.2 指数形变幅杆的位移节点x (11)M (12)3.2.3 指数形变幅杆的放大系数p3.2.4 指数形变幅杆的计算 (12)3.3 圆锥形变幅杆的理论计算 (12)3.3.1 圆锥形变幅杆的频率方程和谐振长度 (13)3.3.2 圆锥形变幅杆的位移节点x (14)3.3.3 圆锥形变幅杆的放大系数M (14)p3.3.4 圆锥形变幅杆的计算 (14)3.4 阶梯形变幅杆的理论计算 (14)3.4.1 阶梯形变幅杆的位移节点x (15)M (16)3.4.2 阶梯形变幅杆的放大系数p3.4.3 阶梯形变幅杆的计算 (16)第四章运用ANSYS对变幅杆的动力学分析 (17)4.1 有限元方法简介 (17)4.2 有限元方法动力学分析的理论基础 (18)4.2.1 模态分析的力学基础 (18)4.2.2 谐响应分析的力学基础 (19)4.3 变幅杆的动力学分析 (20)4.3.1 变幅杆模型的建立 (21)4.3.2 变幅杆网格的划分 (22)4.3.3 变幅杆的模态分析 (23)4.3.4 变幅杆的谐响应分析 (25)第五章变幅杆性能参数测试实验平台的搭建 (29)5.1 实验目的 (29)5.2 实验设备 (29)5.2.1 压电式加速度传感器 (29)5.2.2 电荷放大器 (31)5.2.3 示波器 (32)5.3 实验测试系统的搭建 (32)第六章超声振动系统实验平台的搭建 (34)6.1 实验简介 (34)6.2 主要实验设备 (34)6.2.1 激光位移传感器 (34)6.2.2 阻抗分析仪 (35)6.3 实验测试系统的建立 (35)6.4 实验测试过程与结果分析 (36)第七章总结与展望 (39)7.1 总结 (39)7.2 展望 (39)致谢 (41)参考文献 (42)第一章绪论1.1 引言超声波加工是一种近十几年来新兴的加工技术，目前已经在很多工业中得到了应用。

基于有限元的超声复合变幅杆的动力学分析及优化设计

基于有限元的超声复合变幅杆的动力学分析及优化设计
随着科学技术的发展，超声波技术在医学、工程等领域中应用日益广泛。

超声复合变幅杆是一种基于超声波原理的新型变振幅装置，具有振动幅度大、频率可调、能量传递高等优点。

本文基于有限元方法对超声复合变幅杆的动力学进行分析，并进行优化设计。

首先，本文对超声复合变幅杆的结构进行了建模。

通过有限元软件对变幅杆的材料进行建模，确定了杆件的几何形状和材料属性，并进行了网格划分。

然后，根据超声波的传播原理，建立了超声波在变幅杆中的传播模型。

考虑到杆件的材料的非线性特性和超声波的传播特性，采用有限元方法对超声波的传播过程进行了模拟计算。

接下来，本文对超声复合变幅杆的动力学性能进行了分析。

通过有限元分析软件对变幅杆在不同工况下的振动响应进行了模拟计算，并得到了变幅杆的频率响应曲线和振动幅度。

同时，分析了杆件的应力、应变分布情况，评估了变幅杆的结构强度和稳定性。

最后，本文针对超声复合变幅杆的动力学特性进行了优化设计。

通过调整杆件的几何参数和材料属性，优化了变幅杆的频率响应和振动幅度。

同时，对杆件的应力和应变进行了优化，提高
了变幅杆的结构强度和稳定性。

通过优化设计，使超声复合变幅杆的性能得到进一步提升。

综上所述，本文基于有限元方法对超声复合变幅杆进行了动力学分析，并进行了优化设计。

通过对变幅杆的结构进行建模和分析，得到了变幅杆的频率响应和振动幅度。

通过优化设计，改善了变幅杆的动力学性能，提高了杆件的结构强度和稳定性。

这对于超声波技术的应用和超声波设备的设计具有重要的理论和实际意义。

大振幅比超声变幅杆的优化设计

面积上。振幅放大比是变幅杆的重要性能参数，对
计出了一种在满足许用应力条件下具有大振幅比的
新型变幅杆。
１传统形状变幅杆的解析计算
传统形状变幅杆的设计主要基于微分波动方
程［，：２３］
（１）
式中：为杆的横截面积函数，＝Ａ（）为质ＡＡ；点位移函数，（；为应力函数，＝（＝＝））
Ｅ￣Ｏ（Ｏ／ｘ，ｐ为材料的密度，为杨氏模量）Ｅ。
倍数，它的直径突变会引起过高的工作应力，但即使在突变处采用圆锥或圆角过渡以降低工作应力，也
要损失较大的振幅放大比。
在简谐振动的情况下，（）写成：式１可
随着有限元理论的完善和相关应用软件的发
２去筹． … ＝ ’．筹＋０ＡＫ
＋
（２）
展，通过计算机直接进行变幅杆的设计成为可能。
（ＴａｙａｉｅｓｔｆＴｅｈｏｏｙ，ｉｕｎ００２ｉｕｎＵｎｖｒｉｙｏｃｎｌｇＴａｙａ３０４，Ｃｈｎｉａ）
Ａｂｔａｔｎｏｄｒｔｎａｅｔｅｍａｅｉｌｒｍｏａａｅｉｌｒｓｎｉｃｉｉｇ．ｂｓｄｏｄｌｓｒｃ：ＩｒｅｏｅｈｎｃｈｔｒａｅｖｌｒｔｎｕｔａｏｃｍａｈｎｎａｅｎｍｏｅａａｙｉｎａｍｏｃｒｓｏｎｅａａｙｉｆＡＮＳＹＳ，ｔｈａｎｉｒｔｏｅｇｔｆｔｅｕｔａｎｉｎｌｓｓａｄｈｒｎｉｅｐｓｎｌｓｓｏｈｅｓｐｅａｄｖｂａｉｎｌｎｈｏｈｌｒｓｃｏｈｏｎｗａｐｔｍｉｅｙｕｉｇｏｔｍｕｍｅｉｎｏｒｓｏｉｚｄｂｓｎｐｉｄｓｇｆＡＮＳＹＳ，ａｅｋｎｄｏｌｒｓｎｃｈｒｔａｇｎｄａｎｗｉｆｕｔａｏｉｏｎｗｉｈｌｒｅａｌｕｅｒｔｏａｄｓｉｆｉｇｐｏｉｅｔｅｓｗａｅｉｅｍｐｉｄａｉｎａｔｓｙｎｒｍｓｄｓｒｓｓｄｓｇｎｄ．ｔＫｅｒｓｌｒｓｎｃｈｒｍｏｅｎａｙｉ；ａｍｏｉｅｐｎｓｎｌｓｓ；ｐｔｍｕｍｅｉｎｙｗｏｄ：ｕｔａｉｏｎ；ｄｌａｌｓｓｈｒｎｃｒｓｏｅａａｙｉｏｉｏｄｓｇ

超声变幅杆自动优化设计方法及系统

超声变幅杆自动优化设计方法及系统
程峰;刘爽;侯峰
【期刊名称】《现代制造工程》
【年(卷),期】2022()3
【摘要】超声变幅杆是超声加工装备中的重要部件,现有的优化设计方法经验依赖性强、计算量大,共振频率会因节点法兰等产生偏移。

提出了一次成型的参数化自动建模方法、自适应网格划分方法、超声性能分析判别算法及以差分进化算法为核心的优化设计方法。

提出了基于Python语言和APDL语言的自动化设计系统。

并以细长型带节点法兰贝塞尔曲线形变幅杆为例,进行了自动设计。

设计结果及试验表明,共振频率偏移的消除率达98.7%,放大系数符合设计目标。

在保证了超声性能的前提下,大幅节约了人力成本,缩短了超声加工设备的设计周期。

【总页数】7页(P127-132)
【作者】程峰;刘爽;侯峰
【作者单位】华东理工大学机械与动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH113.1
【相关文献】
1.基于多目标遗传算法的贝塞尔超声变幅杆优化设计方法研究
2.金刚石线锯超声复合加工系统锥形超声变幅杆的研究设计
3.超声变幅杆设计用表的计算机编制
（IV）：纵,扭振变幅杆两用表4.基于代理模型的大尺寸矩形截面超声变幅杆的优化设计5.基于代理模型的大尺寸矩形截面超声变幅杆的优化设计
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带有加工工具的超声复合变幅杆的优化设计

张可昕张向慧高炬
（北方工业大学机电工程学院， ’ 北京１０４）０１４
（清华大学基础工业训练中心，北京１０８）００４
Ｐｉｍｅｉｎｏｃｓｉｏｎｔｏｌｏｌａｏｉｃｉｉｇｔｍｕｄｓｇｆｏｕｔｈｒｓｗｉｔｏｒｕｔｓｎｃｍａｈｎｎａｃｈｆｒ
【摘
要】鉴于传统的带有加工工具的超声复合变幅杆求解方法的不准确性，运用有限元法，设计
带有加工工具的复合变幅杆，并对其进行动力学分析，括模态分析、包谐振分析；并在此基础上进行优
化设计。在保证其突变处工作应力在其材料许用应力范围的前提下，得到其固有频率等于工作频率时
第１期１２１年１０１１月
文章编号：０１３９（０１１－０３０１０ — ９７２１）１０３ — ３
机械设计与制造
ＭａｈｎｒＤｅｉｎｃｉｅｙｓｇ＆Ｍａｕａｔｅｎｆｃｕｒ３３
带有加工工具的超声复合变幅杆的优化设计术
中图分类号：Ｈ１，６．２文献标识码：Ｔ６Ｖ２１９Ａ
ｌ１ｊ＿Ｉ石＝超声加工装置一般由超声发生器，换能器，变幅杆和工具头
随着材料技术的发展，脆硬材料（如玻璃、石英、陶瓷等）及复合材料（纤维和硼纤维等）碳发展迅速，加工问题不断提出，如何实现脆硬材料的高精度、高效率、高可靠性加工已成为阻碍脆
复合变幅杆的最佳放大倍数及谐振长度；运用有限元法，分析了工具头的长度，直径对于整个变幅杆谐

一种圆弧过渡阶梯型超声变幅杆的节点法兰优化与参数型设计

一种圆弧过渡阶梯型超声变幅杆的节点法兰优化与参数型设计路崧;周成全;冯广智;刘家郡;李明雨;刘正锋【摘要】超声波塑料焊接的纵振变幅杆需要易于装夹的无振动法兰,但薄片状法兰不易保证足够的刚度和加工质量,而厚片法兰易造成变幅杆的共振频率偏移,针对上述问题,对一种圆弧过渡阶梯型变幅杆进行了初步设计.在变幅杆的节点位置添加了薄片状法兰,然后对薄法兰的外侧加块,再利用ANSYS Workbench的Shape Optimization工具对块结构进行了优化,实现了在质量增加较少的情况下保证法兰处的强度;之后以两圆柱的长度为设计变量,对变幅杆进行了参数型设计,修正了变幅杆的长度,使其共振频率在19.75 kHz～20.15 kHz范围内,且节点恰好位于法兰处.研究结果表明:优化后的变幅杆振型呈轴向阶梯型分布,法兰无振动且易于装夹,薄片状法兰式变幅杆质量为0.85 kg;优化后的变幅杆质量为0.914 kg,质量增长了7.5％,等效应力减少了21.4％,最大主应力减少了59.6％.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2018(035)012【总页数】5页(P1324-1328)【关键词】超声变幅杆;节点法兰优化;ANSYSDesignxplorer;ANSYSShapeOptimization【作者】路崧;周成全;冯广智;刘家郡;李明雨;刘正锋【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518118;大族激光科技产业股份有限公司,广东深圳518103;大族激光科技产业股份有限公司,广东深圳518103;大族激光科技产业股份有限公司,广东深圳518103;吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130012;哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518118;大族激光科技产业股份有限公司,广东深圳518103【正文语种】中文【中图分类】TH122;TB510 引言在功率超声加工设备中，超声振动系统主要由超声波发生器、换能器、超声变幅杆和工具头(有时又叫模具头)组成[1]。

超声微细加工中变幅杆的设计与制造

超声微细加工中变幅杆的设计与制造超声微细加工技术是一种应用高频振动来实现微米级别加工的技术手段。

在超声微细加工中，变幅杆是一项非常重要的组成部分，因为它能够将高频振动转化为微小振幅，并且能够保证振幅的稳定性，从而实现高精度的微细加工。

本文将从设计与制造两个方面对变幅杆进行详细描述。

设计变幅杆的设计需要考虑以下几个方面：首先，需要选择适合的材料，通常采用的材料有钛合金、不锈钢等。

这些材料具有良好的刚性和导热性，能够保证变幅杆在高频振动下不变形，同时也能有效散热。

其次，需要确定变幅杆的形状和尺寸。

变幅杆的长度和直径需根据所需的振幅和频率进行计算。

一般来说，变幅杆的长度为振波长的1/4到1/2，直径为波长的1/10到1/20。

最后，需要选择适合的加工工艺。

变幅杆通常采用加工中心、线切割等方法进行加工。

加工过程中需要注意避免材料的变形和过热等问题，以保证变幅杆的精度和质量。

制造变幅杆的制造需要经过以下几个步骤：首先，需要进行材料的采购和原材料加工。

选择优质的材料，并经过精密的加工和热处理，以保证变幅杆的刚性和稳定性。

其次，进行模具制作。

模具的设计需要根据变幅杆的尺寸和形状进行设计，并根据加工工艺进行一些特殊的处理。

接着，进行变幅杆的加工。

根据模具的设计，采用合适的加工工艺进行加工，并进行质量控制。

这一步需要特别注意制造过程中的精度和质量。

最后，进行变幅杆的测试和修整。

在制造完成后，需要对变幅杆进行测试，以检测其性能和精度，同时需要进行一些细小的修整，以达到最佳的加工效果。

结论变幅杆是超声微细加工中非常重要的组成部分，其设计和制造需要进行严密的控制。

本文从设计和制造两个方面对变幅杆进行了详细描述，希望能够对相应的技术人员提供参考和帮助。

数据分析在各个领域都是非常重要的，通过对数据进行分析，可以更好地理解事物的本质和规律，并做出更好的决策。

以下是一些数据及其分析，供参考。

1. 某公司销售额月份销售额（万元）1月 202月 253月 304月 355月 406月 45通过对上面数据的分析可以得到以下几点结论：- 公司销售额呈现逐月递增的趋势；- 上半年的销售额明显高于下半年；- 从5月开始，销售额增长的速度有所放缓。

超声变幅杆的设计

本科毕业论文(2015届)题目超声变幅杆及其性能参数测试平台设计学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化班级学号学生姓名指导教师完成日期2015年5月诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《超声变幅杆及其性能参数测试平台设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人(签名)：年月日摘要本文从已知的变幅杆大小端直径、工作频率和材料出发，对超声加工系统中的变幅杆进行了研究。

本文主要包括以下研究内容：1.根据已有的变幅杆大小端直径，通过波动方程理论，完成对阶梯型、指数形、圆锥形三种变幅杆的外形设计计算。

2.利用有限元方法，借助有限元软件ANSYS对设计出的三种变幅杆进行动力学分析。

先在SolidWorks中建立三种变幅杆的三维模型，再导入ANSYS中进行模态分析和谐响应分析。

模态分析是指在规定超声波发生器所产生的振动的频率范围内，测定出变幅杆的各个固有频率。

谐响应分析是指确定变幅杆的一个固有频率，并在变幅杆的一个固定断面施加一个正弦规律的振动，再测定变幅杆的自由端的振动变化。

通过比较自由端和固定端的振幅大小变化，求出所设计的变幅杆的振幅放大比。

3.搭建实验测定平台。

搭建了单独测定变幅杆放大系数的实验平台，还搭建了测定超声振动系统性能的实验平台，并对已有的变幅杆加以实验测定。

通过阻抗分析仪、激光位移传感器等得到谐振频率、放大系数的实际测量数据，并判定了已有的超声振动系统的性能。

关键词：超声变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析；实验平台ABSTRACTStarting from the known diameters of both ends of ultrasonic horn, the working frequency and the material, the horn with the ultrasonic processing system were studied. This paper mainly includes the following contents:1.According to the diameters of both ends of ultrasonic, and by the theory of wave equation, complete the size calculation of tapered, exponential and stepped ultrasonic horn.ing the finite element method, complete the dynamics analysis of three horn by the finite element software ANSYS. First, we should set up 3D models of three horn in SolidWorks, and then import 3D models to ANSYS for modal analysis and harmonic response analysis. Modal analysis is in accordance with the ultrasonic generator vibration frequency range and determine each natural frequency of the horn. Harmonic response analysis is in the determined natural frequency of a horn, and the horn of a fixed section applied a sinusoidal vibration, to determine the vibration change of the free end of the horn. By comparing the amplitude change of the free end and the fixed to get the amplification ratio of the designed horn.3.Set up the experimental test platform.The experimental platform of measuring the amplification coefficient of variable amplitude rod is established, and then the experimental platform of measuring the ultrasonic vibration system performance is established, and the existing variable amplitude rod was measured experimentally. The actual measurement data of the resonant frequency and the amplification coefficient are obtained by the impedance analyzer and laser displacement sensor, and the performance of the ultrasonic vibration system is determined.Keywords: ultrasonic horn；finite element；modal analysis；harmonic response analysis；experimental platform目录第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 国内外研究发展历程 (1)第二章超声波加工概述 (4)2.1 超声波的特点 (4)2.2 超声加工的基本原理 (5)2.3超声加工的特点 (7)第三章变幅杆的设计 (8)3.1 变幅杆设计理论 (8)3.1.1 变幅杆设计概述 (8)3.1.2 变截面纵振动的波动方程 (8)3.2 指数形变幅杆的理论计算 (10)3.2.1 指数形变幅杆频率方程和谐振长度 (11)3.2.2 指数形变幅杆的位移节点x (11)M (12)3.2.3 指数形变幅杆的放大系数p3.2.4 指数形变幅杆的计算 (12)3.3 圆锥形变幅杆的理论计算 (12)3.3.1 圆锥形变幅杆的频率方程和谐振长度 (13)3.3.2 圆锥形变幅杆的位移节点x (14)3.3.3 圆锥形变幅杆的放大系数M (14)p3.3.4 圆锥形变幅杆的计算 (14)3.4 阶梯形变幅杆的理论计算 (14)3.4.1 阶梯形变幅杆的位移节点x (15)M (16)3.4.2 阶梯形变幅杆的放大系数p3.4.3 阶梯形变幅杆的计算 (16)第四章运用ANSYS对变幅杆的动力学分析 (17)4.1 有限元方法简介 (17)4.2 有限元方法动力学分析的理论基础 (18)4.2.1 模态分析的力学基础 (18)4.2.2 谐响应分析的力学基础 (19)4.3 变幅杆的动力学分析 (20)4.3.1 变幅杆模型的建立 (21)4.3.2 变幅杆网格的划分 (22)4.3.3 变幅杆的模态分析 (23)4.3.4 变幅杆的谐响应分析 (25)第五章变幅杆性能参数测试实验平台的搭建 (29)5.1 实验目的 (29)5.2 实验设备 (29)5.2.1 压电式加速度传感器 (29)5.2.2 电荷放大器 (31)5.2.3 示波器 (32)5.3 实验测试系统的搭建 (32)第六章超声振动系统实验平台的搭建 (34)6.1 实验简介 (34)6.2 主要实验设备 (34)6.2.1 激光位移传感器 (34)6.2.2 阻抗分析仪 (35)6.3 实验测试系统的建立 (35)6.4 实验测试过程与结果分析 (36)第七章总结与展望 (39)7.1 总结 (39)7.2 展望 (39)致谢 (41)参考文献 (42)第一章绪论1.1 引言超声波加工是一种近十几年来新兴的加工技术，目前已经在很多工业中得到了应用。

一种新型医用清创超声波变幅杆设计

ＤｅｉｎｏｓｇｆＡｍｐｉｕｒｆｒＮｅｌｔｄｅＢａｏｗ－ｔｐｅｉａｔａｏｉｂｉｅｅｔＩｓｒｙｅＭｄｃｌＵｌｒｓｎｃＤｃｅｇＡＮＪｎ．ＥＺ— ｈｎ
Ｍ嘲ｊｄＡｃｏｄｎｏｔｅｓｅｉｃｒｑｉｅｎｓｏｈｅｒｅｎｎｔｍｅｔｈｌｃｒｎｃｄｓｎｔｃｎｑｅｅｅｂ８ｏｃｒｉｇｔｈｐｃｆｅｕｒｍｅｔｆｔｅｄｂｉｍｅｔｉｓｒｉｄｕｎ，ｔｅｅｅｔｏｉｅｉｅｈｉｕｓｗｒｇ
ｂｒｃｕｄｍｅｔａｌｋｎｓｏｅｈｉａｅｕｒｍｅｔ，ａｄｈｉｎｕｌｙｒｗｍａｅａｓｍａｅｉｃｒｓｏ－ｅｉｔｎｎａｏｌｅｌｉｄｆｔｃｎｃｌｒｑｉｅｎｓｎｔｅｔａｉｍａｌａｔｒｌｔｏｉｄｔｏｒｉｎｒｓａｔａｄｏｓ
ｂｄｐｅｃｏｄｎｉｅｎｑｉｍｎｓＣｈｎｓｄａＥｕｍｅｔｏｒａ，０９３（）３ — ６ｅａｏｔａｃｒｉｇｔｄｆｒｔｅｕｒｅｔ［ｉｅＭｅｉｌｑｉｎｕｎｌ０，０１：４３】ｄｏｆｅｒｅ．ｅｃｐＪ２
ＡｓａｔＯｊｉｂｔｃｂ￣ｗＴｅｅｏｅｙｅｏｄａｕｒｓｕｄｄｂｉｍｎｎｔｍｎｎｈｍｌｕｅｂｒｒｏｄｖｌａｎｗｔｐｆｍｅｉｌｌａｏｎｅｒｅｅｔｉｓｕｅｔａｄｔａｐｉｄａ．ｐｃｔｄｒｅｔ

超声微细加工中变幅杆的设计与制造

杆将换能器的小振幅放大。变幅杆之所以能够放大振幅，是
由于通过其任一截面的振动能量是不变的（计传播损耗）不，截面小的地方，能量密度大，幅也就得到放大。为了获得较振
设计与制造在整个超声微细加工过程中具有十分重要的作
用。
ｌ变幅杆的作用、分类及其特点
－
３・３
超声微细加工中变幅杆的设计与制造
傅锦
（州市职业大学，苏扬州２５０）扬江２０２
摘要：超声微细加工首先需要制造出作为工具使用的变幅杆。变幅杆的设计与制造在整个超声微细加工过程中具有十分重要的
作用。本文介绍了变幅杆在超声加工中的作用，常用不同形状变幅杆的功能、特点，并重点介绍了试验使用的阶梯形变幅杆和指
１变幅杆形状及其特点．２变幅杆的形状对于共振频率、能够传递的功率、载后受
图１超声振动系统
器、振杆、传变幅杆及加工工具
组成，图１如所示。
的放大倍数有很大的影响，用的变幅杆有外径变化的实心常型和内径变化的空心型。两种类型的变幅杆沿长度上的截
Ｋｅｒｓ：ｃｏｕｔａｏｉｃｉｉｇ；ａｐｌｕｅｔａｓｏｅ；ｄｅｉｙｗｏｄｍｉｒ－ｌｓｎｃｍａｈｎｎｍｒｉｄｒｆｒｒｔｎｍｓｇｎ
Ｏ引言
随着科学技术的飞速发展，超声微细加工技术的应用越来越广泛。超声微细加工一般采用拷贝式成形，因此首先要
ＦＵｉＪｎ

超声变幅杆的设计与性能分析

《装备制造技术》２００９年第８期超声变幅杆，是超声振动系统中一个重要的组成部分，它在振动系统中的主要作用，是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能，因此也称超声变速杆或超声聚能器。

超声变幅杆一般由用户根据生产情况自行设计，所以超声变幅杆的设计、制造以及实现声振系统的谐振，是超声轴向振动钻削系统中的关键问题［１］。

１复合变幅杆设计在超声振动系统工作中，由超声换能器辐射面所产生的振动幅度非常小，当工作频率在２０ｋＨｚ范围内，超声换能器辐射面的振幅只有数微米，而在超声加工中所需要的振幅，大约为数十甚至数百微米，所以必须借助变幅杆的作用，将机械振动质点的位移量和速度进行放大。

变幅杆的作用主要有两个：一个是将机械振动位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上，起聚能作用；另一作用，是作为机械阻抗的变换器，使超声能量由超声换能器更有效地向负载传输。

变幅杆的结构，不仅涉及到计算和制造，而且还会影响到变幅杆的使用性能，所以设计变幅杆应综合考虑以上因素。

１．１复合变幅杆的理论分析讨论图１所示三段复合型变幅杆。

Ｉ和ＩＩＩ为等截面杆，ＩＩ段为变截面杆。

为简化讨论，设杆的横截面为圆形截面，各段用同一种材料做成。

由变截面杆的波动方程坠２ξ坠x２＋１A ·坠A 坠x ·坠ξ坠x ＋k ２ξ＝０出发，可以求出各段杆中的振动位移，放大系数的一般公式。

杆中各段质点振动位移ξ１＝a １ξ１ｃｏｓ（Kx ＋a １）ξｎ＝a ２ξ１ｃｏｓ（K ＇x ＋a ２）ξｍ＝a ３ξ１ｃｏｓ（Kx ＋a ３）频率方程（两端自由）组为ｔａｎ（K ＇l ２＋a ２）＋K ｔａｎKl ３＋R ＇（l ３）２＝０ｔａｎa ２＝K K ′ｔａｎKl １－１K ＇R ＇（０）R １放大系数M p ：M p ＝Nｃｏｓ（K ＇l 2+a 2）ｃｏｓa １·ｃｏｓKl ２ｃｏｓKl ３为获得较大的振幅，应使变幅杆的固有频率和外激振动频率相等，使之处于共振状态。