旋转超声加工变幅杆有限元分析
针对有限元的超声波加工中变幅杆的动力学分析及设计
要将两个图元合并成一个图元(MERGE ITEMS)。由于在建模过程中,进行了删除、合并或其它操作,可能在编号中生成许多空号,为保存数据存储空间(删除空号)和保持期望的编号顺序,需要压缩编号,删除编号间的空隙。
4.3.1.2.加载并求解
1.指定分析类型和分析选项
模态分析求解前。指定分析类型为模态分析,设置模态提取方法有Subspace(子空间迭代)法,指定模态提取的频率范围是19~21kHz。待提取的模态个数为5。
2.在模型上加载荷
在模态分析中,难一有效的载荷是零位移约束。如果在某个DOF处指定了一个非零位移约束,程序将以零位移约束替代该DOF处的位移。本文在体模型xz面内的所有的节点上施NDOF为零的一个位移约束。
指数形变幅杆的模型如图4—2所示。轴向截面划分为140个面单元,体模型共有2520个体单元。
(a)面模型(b)体模型
图4-2指数形变幅杆有限元模型
Fig.4-2Finite elemபைடு நூலகம்nt model ofexponential hom
圆锥形变幅杆的模型如图4—3所示。轴向截面划分为203个面单元,体模型共有3654个体单元。
Fig.4-4Finite element model ofcomposite horn
阶梯形变幅杆的模型如图4—5所示,轴向截面划分为252个单元,体模型共有4536个体单元。
太原理工大学硕士研究生学位论文
(a)面模型(b)体模型
固4-5阶梯形变幅杆有限元模型
Fig.4-5Finite element model ofstepped hom
太原理工大学硕士研究生学位论文
(a)面模型(b)体模型
图4-3圆锥形变幅杆有限元模型
带有成形工具头的超声抛光变幅杆研究
带有成形工具头的超声抛光变幅杆研究李艺;考海涛;赵明;陶柏霖【摘要】The mold cavity polishing is the bottleneck of the mold finishing. In order to solve the low efficiency and processing quality not easy to be guaranteed by the hand-held ultrasonic polishing machine, the automatic ultrasonic polishing equipment should be used.For this,this paper researches on the influence of the different shape tools on the ultrasonic horn and the longitudinal vibration frequency change of different shaped tool coupled with the entire horn based on horn design theory and finite element analysis techniques. The results show that the longitudinal vibration frequency change of the horn with small shaped tool can be ignored.%模具内腔抛光是模具加工的瓶颈,为了解决手持式超声抛光机低效率、加工品质不容易保证的问题,拟采用可以更换不同成形工具头的自动超声抛光设备,这就需要研究加上不同工具头后对超声变幅杆的影响.基于变幅杆设计理论和有限元分析技术,深入研究了加上成形工具头后整个变幅杆的纵振频率的变化情况,研究结果表明小型成形工具头对于整个变幅杆的纵振频率的影响可以忽略不计.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2013(042)002【总页数】4页(P50-53)【关键词】超声自动抛光;超声变幅杆;成形工具头;有限元分析【作者】李艺;考海涛;赵明;陶柏霖【作者单位】苏州大学机电工程学院,江苏苏州215021【正文语种】中文【中图分类】TG6630 引言抛光作为模具型腔加工的一道重要工序，目前其加工时间占整个模具制造时间的30% ～50%，其成本占全部制造成本的5% ～30%［1］，模具型腔的抛光，尤其是模具的复杂型腔、窄槽、狭缝和盲孔的内表面抛光显然已经成为模具制造过程中的瓶颈。
超声变幅杆的模态分析
社 ,1995.
[2 ] 王先逵 . 精密加工技术实用手册 [ M ] . 北京 : 机械工业
出版社 ,2001.
[3 ] 石川寅一 . 振动应用工学 [ M ] . 日本 : 金泽工业大学出
作者简介 : 万德安 ( 1941 - ) , 男 , 浙江杭州人 , 同济大学教
授 ,博士研究生导师 ,日本大阪大学工学博士 , 主要从事精密测试与 控制 、 振动与噪声 、 故障诊断等方向的研究 。
(2 )
0 引言
超声加工技术是一种重要的特种加工方法 。 超 声加工装置主要由超声波发生器 、 换能器和变幅杆 等组成 ,变幅杆的作用是将换能器输出的机械振动 位移或速度振幅进行放大 , 使能量集中在较小的辐 射面上 ,所以又称为超声聚能器 ,其声学振动特性对 整个超声加工装置非常重要 。 传统的分析方法离不 开繁琐的公式推导 。 应用有限元法对其进行模态分 析 ,获得了若干重要参数 , 如共振频率 、 横向振动频
1 机械与电子22004 ( 4)
4 结束语
超声变幅杆往往具有规则的形体 , 可以获得精 度很高的有限元模型 。 模态分析法可以定性 、 定量且 直观地得到变幅杆的多个特性参数 , 对超声变幅杆 的设计 、 校核和分析提供了一种新的方法 。 ・1 1 ・
汽车悬架路面自适应半主动控制研究
曹树平 ,易孟林
图5 特征向量分布
所得参数与理论值的比较如表 1 所示 。 通过与 理论计算值的比较 ,可以知道 ,模态分析取得了较高 的精度 。 而且通过模态分析 ,知道横向振动模态频率 与纵向振动频率较为接近 , 如果激振声频波动较大 时 ,可能会引起变幅杆的横向振动 。
图2 有限元模型
表1 模态分析值与计算值
收稿日期 :2003 12 31
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。
旋转式超声波加工机理的有限元分析_纪宇
旋转式超声波加工机理的有限元分析纪宇，轧刚（太原理工大学机械工程学院，山西太原030024）来稿日期：2014-03-25基金项目：山西省自然科学基金项目（2005-1051）作者简介：纪宇，（1988-），男，江苏人，在读硕士研究生，主要研究方向：特种加工技术；轧刚，（1958-），男，天津人，硕士，教授，主要研究方向：特种加工技术1引言旋转式超声加工是加工玻璃、陶瓷等硬脆材料的有效方法，具有精度高、去除率高、切削力小、耗能少等优点，其在机械加工领域应用越来越广泛[1]。
国内外学者对超声波加工进行了大量的研究，但其加工机理并不完全清楚。
文献[2]通过实验分析得到超声加工中材料去除的主要形式是大片剥落，而大片剥落是磨粒对工件锤击造成的。
文献[3]认为硬脆材料的断裂是微观和宏观裂纹产生并扩展到一定深度的结果，在工件表面相互交织的裂纹形成一个弱化层，这个弱化层在磨料颗粒的反复锤击作用下，特别容易发生断裂。
文献[4]通过试验证明旋转式超声加工包含脆性去除和韧性去除两种材料去除方式，并提出改变振幅、静压力等加工参数可以调节韧性去除和脆性去除的比例。
旋转式超声加工受振幅、静压力、转速、磨粒形状等因素综合影响，加工过程非常复杂，且可控性比较差，利用目前的观测技术很难得到单颗磨粒与工件的相互作用过程和被加工工件裂纹形成与扩展情况，从而很难进行定量分析和数值计算。
利用有限元软件LS-DYNA 对金刚石磨粒冲击玻璃材料的过程进行数值模拟，计算冲击过程的形变和切削力，研究工件表面和内部裂纹的产生与扩展过程，分析材料去除机理。
2旋转式超声加工仿真模型的建立2.1旋转式超声加工磨粒运动过程分析和几何模型建立旋转式超声加工是传统超声加工和普通磨削的两种加工方法的结合。
金刚石磨粒烧结在连接变幅杆的中空圆柱形工具头上，工具头随着变幅杆沿轴向做正弦振动，同时绕轴线转动，超声加工原理，如图1所示。
工具头底部旋转磨粒工具头工件超声振动ZX图1旋转式超声加工示意Fig.1Schematic Diagram of Rotary Ultrasonic Machining工具头底部的磨粒也随工具头沿轴向做正弦振动，不断的冲击工件，同时磨粒绕轴线做匀速圆周运动，磨削工件。
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。
基于有限元方法的阶梯形超声变幅杆的设计与修正
基于有限元方法的阶梯形超声变幅杆的设计与修正王忠进;缪兴华;胡神阳;汪炜【摘要】A ladder-type ultrasonic amplitude transformer is designed by using the analytic method and the rationality of the design is verified by the finite element analysis method. According to the results of calculation,an amplitude transformer is made and modified.In the process of the modification of amplitude transformer,the change of frequency of the ultrasonic amplitude transformer is simulated through the finite element analysis software. The modification process is guided on the basis of the simulation results. A new way is carried out for modification of the ladder-type ultrasonic amplitude transformer.%采用解析法设计了阶梯形超声变幅杆,利用有限元分析方法验证了设计的合理性,依据计算结果制作变幅杆并对其进行修正.在修正过程中,通过有限元分析软件对阶梯形变幅杆的频率变化情况进行仿真,根据仿真结果指导修正过程,为修正变幅杆提供了新的途径.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P61-64)【关键词】变幅杆;修正;有限元;模态分析【作者】王忠进;缪兴华;胡神阳;汪炜【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TG663超声变幅杆在超声技术、特别是功率超声设备的振动系统中有着举足轻重的地位，其主要作用是将机械振动的质点位移或速度放大，或将超声能量集中在较小的面积上，即具有聚能作用[1]。
基于超声振动加工的阶梯形变幅杆焊头设计与性能分析
基于超声振动加工的阶梯形变幅杆焊头设计与性能分析刘兵华1 席燕辉2(1.延锋汽车饰件系统(长沙)有限公司 湖南长沙 410000;2.长沙理工大学 湖南长沙 410114)摘要： 超声变幅杆是超声振动复合加工工艺中超声振动系统的重要部件，在塑料超声波焊接加工中，常常把变幅杆与焊接工具设计在一起，即业内通俗说的超声波变幅杆焊头。
该文结合实际应用情况，通过理论计算得到阶梯形变幅杆焊头的几何模型，并基于Ansys Workbench 分析软件对阶梯形变幅杆焊头进行模态分析和谐响应分析，获得了阶梯形变幅杆放大系数、截面突变处的过渡圆弧与最大应力的变化规律，为阶梯形复合变幅杆焊头的设计提供了参考，优化设计的阶梯形变幅杆焊头工作性能得到大幅度提升。
关键词： 阶梯形 变幅杆焊头 有限元 模态分析中图分类号： TG663文献标识码： A文章编号： 1672-3791(2023)10-0071-05Design and Performance Analysis of the Stepped Horn WeldingHead Based on Ultrasonic Vibration MachiningLIU Binghua 1 XI Yanhui 2(1.Yanfeng Automotive Trim Systems (Changsha) Co., Ltd., Changsha, Huhan Province, 410000 China;2.Changsha University of Science and Technology, Changsha, Hunan Province, 410114 China)Abstract: The ultrasonic horn is an important part of the ultrasonic vibration system in the ultrasonic vibration composite processing technology. In the plastic ultrasonic welding process, the horn and welding tools are often de‐signed together, and that is commonly known as the ultrasonic horn welding head. Combined with the actual ap‐plication situation, this paper obtains the geometric model of the stepped horn welding head through theoretical calculation, conducts the modal analysis and harmonious response analysis of the stepped horn welding head based on Ansys Workbench analysis software, and obtains the variation law of the amplification coefficient, transition arc at the abrupt change of cross-section and maximum stress of the stepped horn, which provides reference for the design of the stepped horn welding head. The working performance of the stepped horn welding head that is optimally designed has been greatly improved.Key Words: Stepped; Horn welding head; Finite element; Modal analysis超声振动加工是一种重要的特种加工技术，其中超声振动系统是超声加工的核心部分，由换能器、变幅杆、工具等构成。
变幅杆的ANSYS分析设计
研究生课程论文课程名称现代设计方法题目变幅杆的ANSYS分析设计学院机电工程学院专业机械工程班级姓名张佳欢向义河胡鹏飞吕建军熊海亮鲁中原娄晓刚指导教师李刚炎2014 年12 月15 日变幅杆的ANSYS分析设计摘要由于很多材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要求，尤其是在航空航天的需求更加强烈，超声波振动技术是日本首先提出来，然后超声振动精密切削技术便逐渐成为各国的研究热点。
在设计超声波振动系统中，变幅杆的设计是核心部分，因此变幅杆是整个系统的核心部件。
本文利用ANSYS有限元分析软件对变幅杆进行模态分析及谐响应分析，最终根据分析结果对变幅杆进行修正。
关键词：变幅杆，超声波，有限元分析AbstractBecause a lot of hard brittle characteristics, traditional processing method has been can not meet the requirement of the precision machining of these materials parts, especially in aerospace needs more intense, ultrasonic vibration technology was put forward by Japan's first, and then ultrasonic vibration precision cutting technology has gradually become the focus in the countries. In the design of ultrasonic vibration system, the design is the core part of the amplitude, so the amplitude is the core component of the whole system. This paper, by using ANSYS finite element analysis software for the amplitude modal analysis and harmonic response analysis, finally to modify the amplitude according to the results of the analysis .Keywords：Amplitude，Ultrasonic wave，Finite Element Ansys一．研究内容简介碳纤维在高温高压环境中仍然能保持较高的强度，尺寸稳定性好，并且热膨胀系数小，质量轻，耐侵蚀。
功率超声变幅杆固有频率的模态分析
参考文献
& ’ ) / . 俞载道, 结构动力学基础 3 = 4 , 上海： 同济大学出版社 D &*0+ 隈部淳一郎著， 韩一昆等译, 精密加工振动切削 3 = 4 , 北京： 机械工业出版社， &*0/ 张云电, 超声加工及其应用 3 = 4 , 北京： 国防工业出版社D &**/ 夸克工作室编著, 有限元分析 EF=G!H 与 =><?@A><;B> 3 = 4 , 北京： 清华大学出版社 D ’(() 3 美 4 I>J$& G, GKL>", ! E;J#< MKNJ#@ ;" <?@ E;";<@ FO@A@"< =@<?KPD Q?;JP FP;<;K" 3 = 4 , Q?KA#K" G@>J";"LD ’((’ RSJ>?;AD T, U, V><NJ>O EJ@WN@"B$ H>#@P E;";<@ FO@A@"< =KP@O XYP><;"L X#;"L =NO<;YO@ !">O$<;B>O =KP@O# 3 M 4 , ZJKB@@P;"L# K[ TZRF 1 Q?@ R"<@J"><;K">O TKB;@<$ [KJ \Y<;B>O F"L;"@@J;"LD ’((( + ]?>"LD ^,D U>_?@‘>D T,D a>"@#>"D U, =KP>O !">O$#;# K[ > QJNB_ Q$J@ X#;"L EF Q$J@ =KP@O 3 b 4 , c@>d$ e@?;BO@ T$#<@A#D ’((-D && 8 ’ 9 8 编辑 第一、 三作者单位： 河南科技大学 邮政编码： 洛阳・-+&((( 第二、 四作者单位： 河南理工大学 收稿日期： ’((-年&’ 月 功 # 成9
旋转超声加工变幅杆有限元分析
在原设计中，变幅杆细端直径为15mm献] [1]郑书友.旋转超声加工机床的研制及实验研究[D].华侨大
学,2008. [2]林仲茂.超声变幅杆的原理和设计[M].北京:科学出版社,1987. [3]霍树青,高长水.夹心式换能器设计中节面位置的选择与分析[J].
电加工与模具,2009,(02). [4]冯冬菊,赵福令,徐占国.使用I n v e n t o r软件的超声变幅杆模态分
两处节点X1=0，X2=-109mm； 粗端长度a=163mm，细端长度b=53mm； 考虑到刀具长度，过渡圆弧设计为7.5mm[2]。 由于刀具尾部的结构为一个最大径为11.5mm的圆 锥体，刀具与变幅杆配合时需添加一个锁紧螺母。 如图2、3为变幅杆的剖视图和主轴装配的剖视图：
-a
0
b
X
图1 阶梯型变幅杆
-1-
研究与设计
2011年第6期
1 解析法设计计算 振动频率在16kHz以上的声波称为超声波，据厂方
提供的数据，压电晶体的振动频率在23kHz左右可调， 单片压电晶体产生的振幅为5～10μm，其最高功率可达 300W。考虑到压电晶体成对出现的需要和超声加工中 所需的振幅一般为100μm左右[1]，设计所用压电晶体片 数为2，振幅放大比为4～9，理论上可以确保超声加工的 需要。
图3 主轴装配剖视图
2 Inventor2010有限元分析论证 I nve ntor2010集成了A n s y s 有限元分析软件的
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。
超声焊接圆锥复合变幅杆的设计与分析王立冰
超声焊接圆锥复合变幅杆的设计与分析王立冰发布时间：2021-08-16T09:21:40.277Z 来源：《防护工程》2021年13期作者：王立冰[导读] 随着经济和科技水平的快速发展，超声变幅杆是实现换能器到负载之间的聚能、振幅放大、阻抗匹配的关键部件，在超声塑料焊接领域应用广泛。
身份证号码：371522198****20819摘要：随着经济和科技水平的快速发展，超声变幅杆是实现换能器到负载之间的聚能、振幅放大、阻抗匹配的关键部件，在超声塑料焊接领域应用广泛。
因加工领域、加工对象不同、材料不同，变幅杆形式多种多样，缺乏面向工程应用的、统一的、高效的设计、实验方法，在实际工程应用中是一个难点。
随着大功率超声器件在工业领域的广泛应用，国内外学者对各种类型的超声变幅杆进行了大量的理论分析和实验研究。
国外学者从上世纪四五十年代起就开展了超声加工的研究，近年来，在复合超声变幅杆的设计、有限元分析、加工热弹性响应、优化设计、实验分析、疲劳分析、受载安全评估等方面进行了大量的研究，研究领域渗透到超声振动切削技术，超声复合加工技术硬脆复合材料高精密加工等技术领域。
关键词：圆锥复合变幅杆；参数计算与建模引言超声变幅杆是超声振动复合加工工艺中超声振动系统的重要部件。
利用特征参数进行理论计算对超声变幅杆进行了设计。
基于有限元分析软件 ABAQUS 对阶梯形超声变幅杆进行了模态分析，得到了符合设计要求的模态振型及固有频率，进行了谐响应分析，针对结果中出现的变幅杆应力集中现象在截面突变处添加过渡圆弧进行优化设计。
最后，分析了不同半径的过渡圆角与变幅杆固有频率及最大应力的关系，结果表明，增加过渡圆弧可以改善应力集中现象，避免疲劳断裂达到优化设计的目的。
1设计基础资料设计内容来源于一款耳机外罩防尘钢网超声焊接的工程项目，设计需求是将防尘钢网及防尘薄膜焊接至耳机外罩上，设计特点上防尘钢网尺寸较小，耳机焊接孔避空尺寸较小，焊接深度较浅，需求高频率，低振幅就可以完成焊接过程，因此超声焊接可选用 40kHz 的频率发生器及与之配套的超声换能器，耳机防尘钢网焊接工作需求图及超声频率发生器、超声换能器。
超声加工中变幅杆的动力学分析
有频率和振动应力。响应分析是用于确定变幅杆在
承受随时间按正弦规律变化的轴向载荷时的稳态响
应, 目的是计算出变幅杆的动力响应, 并得到响应位
移和响应应力。对于谐响应分析, 峰值响应发生在
激振频率和变幅杆的固有频率相等时, 换句话说, 只
有当工作频率和变幅杆的固有频率相等时, 变幅杆
端面才能达到最大位移。因此, 在谐响应分析解之 前, 应该首先进行模态分析以确定变幅杆的固有频
参考文献:
[ 1] 冯晓曾, 李士玮, 武维 扬, 等. 模具用钢 和热处理. 北 京: 机 械 工业出版社, 1984
[ 2] 姚禄年. 钢热处理变形的控制. 北京: 机械工业出版社, 1987 [ 3] 史美堂. 常用模具用钢热处理性能. 上海: 上海科学技术出版
社, 1984 [ 4] 高殿奎. 冷冲压凹 模的失效 分析与 电火花 局部 强化. 工具 技
波动方程( 图 1) [ 3, 4] :
9
( A R) 9x
d
x
=
A Q992t N2 dx
( 1)
式中: A 为杆的横截面积函数, A = A ( x ) ; R 为应
力函数, R= R( x ) = E9N/ 9x ; N为质点位移函数, N
= N( x ) 。
图 1 变截面杆的纵向振动
在简谐振动的情况下, 式( 1) 可写成
端圆柱体长度均为 55. 5 mm, 锥形长度为 30 mm。
所设计的变幅杆是用在旋转式超声加工设备中, 该
设备的主要参数有: 工作频率范 围 16~ 24 kH z; 超
声发生器的输出功率 250 W。
体[ 7~ 9] 。 对于面单元选择平面 42, 是 4 个节点的四边形
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。
超声变幅杆设计资料
结业设计（论文）开题陈说之巴公井开创作创作时间：二零二一年六月三十日题 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姓名班级学号指导教师一、课题研究的依据和意义超声变幅杆综述超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质或干磨 料中发生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此发生的气蚀来去除 资料, 或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工, 或 利用超声振动使工件相互结合的加工方法[1].如图 1.1.图 1.1 超声加工示意图[2]近几十年以来, 超声加工, 包括复合加工的发展极为迅速, 工艺 技术在深小孔加工、难加工资料加工方面有极为广泛的应用, 尤创作时间：二零二一年六月三十日其是在难加工资料领域解决了很多的技术问题, 获得了良好的效 果.难加工资料的研究增进了超声加工技术的发展, 从而进一步增 进了新资料的发展, 不难发现, 超声加工技术的应用会越来越广 泛[3].而本课题所要研究的超声变幅杆是超声波振动系统中一个重 要的组成部份.它与超声波换能器一起共同组成了超声波振子.超 声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置, 超声波变 幅杆是一个无源器件, 自己不发生振动, 只是将超声波换能器输 入的振动改变振幅后再传递出去, 完成了阻抗变换. 超声波换能器在合适的电场激励下能发生有规律的振动, 其振幅 一般在 10 m左右, 这样的振幅要直接完成焊接和加工工序是远远 不够的.因此将换能器合理地连接一个超声变幅杆, 超声波的振幅 便能在很年夜的范围内变动, 只要资料强度足够, 振幅可以超越 100 m.超声波变幅杆亦可起到提高振速比、提高效率, 提高机械 品质因数, 加强耐热性, 扩年夜适应温度范围, 延长换能器的使 用寿命的作用.超声波换能器通过装置变幅杆(超声波变幅器)调整 了换能器与超声波工具头之间的负载匹配, 减小了谐振阻抗, 使 其在谐振频率工作提高了电声转换效率, 有效降低了超声波换能 器的发热量, 提高使用寿命.1.2 超声变幅杆的发展及国内外研究静态最初, 为了高强年夜功率超声波的应用, 在上世纪 40 年代发 明了纵振指数型变幅杆.50 年代原苏联学者又提出了悬链线型变 幅杆和多级组合变幅杆.60 年代提出了描述变幅杆形状因数的概 念, 并发展了一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆, 获得了 高位移振幅.森荣司提出振动方向变换器, 开辟了用变幅杆件功率 合成方法获得高强特年夜功率(50KW 以上)超声的途径.上世纪 80 年代森荣司等又提出夹心弯曲换能器结构.90 年代根本佐久良雄 等人则提出了夹心扭转换能器结构, 年夜年夜推动了超声变幅杆 的发展.随后又呈现了弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆, 扩年夜 了工业应用范围.除以上杆件形状外, 在年夜功率超声冷拔丝、管 等应用中呈现了等厚度或变厚度的盘形或环形聚能器；在超声焊 接、切割中又呈现了年夜型块状变幅杆件.依照振动类型, 可分为纵振、扭振、弯振以及复合振动(纵 弯、纵扭、弯扭), 四类.在功率超声的加工和处置应用中, 纵振创作时间：二零二一年六月三十日创作时间：二零二一年六月三十日型应用最为普遍.从单一变幅杆的母线形状来分类, 又可分为阶 梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦等类型, 若将这 些单一形状变幅杆组合起来进行设计, 则是复合型变幅杆.按其功 能来分, 又可分为二分之一波长和四分之一波长两种.虽然分类较 多, 但纵振、扭振和弯振变幅杆的设计都是从其相应的振动方程 动身, 设计过程及步伐都是一样的.超声波变幅杆被广泛应用于化 工、石油、塑料焊接、金属焊接、打孔、车削、清洗、机械加工 等诸多领域.对超声波变幅杆设计方面的研究进展主要有：陕西师范年夜 学的 Shuyulin 研究了超声指数形变幅杆在纵向扭转时的能量传布 特性曲线, 以及对指数衰减系数的选择.现在有限元模型已被用来 设计轴对称形状的变幅杆.K.H.W.Seah, Y.S.Wong 和 L.C.Lee 等 人用有限元方法分析变幅杆的固有频率, 在此基础上设计变幅杆 的形状使其更接近固有频率.埃及学者 S.G.Amin,M.H.M.Ahmed, H.A.Youssef 提出了用有限元 ANSYS 软件对双锥形变幅杆进行分 析, 采纳的是面单位进行, 得出了分歧的端面处的应力值与振幅 值, 为选择最佳的变幅杆外形提供了一种方法.年夜连理工年夜学 的赵福令等人推导出装置简单工具的双曲过渡形复合变幅杆频率 方程和放年夜系数的一般公式.并讨论了超声波加工工具对复合变 幅杆谐振性能的影响.廖华丽等人研究了功率超声变幅杆在有负载 情况下的速度波、力波和功率传递的特性, 从理论上进行了研究 并获得了一些相关结论.综合变幅杆设计方面的文献, 有限元方法 己经被用来设计变幅杆[1].1.3 课题研究的依据和意义二分之一波长的纵振变幅杆有多种设计方案： ①传统解析法 ②等效电路法 ③替代法(机械阻抗相等法) ④传输矩阵法 ⑤有限元法 ⑥其他方法：变幅杆设计方法还有传输线法、分段趋近法、 表观弹性法等 本课题主要是利用解析法完成对阶梯形、圆锥形、指数形三 种类型超声变幅杆的设计.其意义在于比力上述三种变幅杆各自的创作时间：二零二一年六月三十日创作时间：二零二一年六月三十日优缺点, 从而对变幅杆的理论设计和实际的生发生活中变幅杆的 选择提供重要参考依据. 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年夜端与换能器连接, 小端与刀具连接, 主要 数据：年夜端直径 87mm, 小端直径 17mm（圆锥形变幅杆年夜端 87mm, 小端 37mm）, 工作频率 20KHz, 所用资料为 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. （2）学习 Matlab、SolidWorks、ANSYS 等相关软件. （3）了解超声变幅杆的作用和理论设计方法. （4）利用解析法完成对三种类型超声变幅杆的设计 （5）对所设计变幅杆进行三维建模并完成有限元分析. （6）搭建实验平台, 熟悉各仪器把持规则, 测定变幅杆的主要性 能参数. （7）撰写和完成结业设计论文. （8）完成手工绘制机械技能训练图一张（0 号或 1 号图幅的机械 装配图）. 2.3 课题拟解决的主要问题设计任务主要在于根据实际应用需要设计出阶梯形、圆锥 形、指数形的变幅杆, 并对已有变幅杆进行实验研究, 得出其主 要性能参数.设计过程是根据摆荡理论对三种类型变幅杆进行参数 计算, 从而得出变幅杆的外形尺寸和性能参数, 再利用有限元对 所设计变幅杆进行比较分析, 总结各类型变幅杆的优缺点, 最后 搭建实验平台对已有变幅杆进行性能测试, 得出其主要性能参数, 对理论设计具有实际指导意义. 三、研究步伐、方法及办法超声变幅杆的性能可以用许多参量来描述.在实际应用中最经 常使用的是：共振频率, 共振长度, 放年夜系数, 形状因数, 输 入力阻抗等等.放年夜系数 Mp, 是指变幅杆工作在共振频率时输创作时间：二零二一年六月三十日创作时间：二零二一年六月三十日出端与输入真个质点位移或速度振幅的比值, 形状因数 是衡量 变幅杆所能到达最年夜振动速度的指标之一, 它仅与变幅杆的几 何形状有关, 值越年夜, 所能到达的最年夜振动速度也越年夜, 输入力阻抗 Zi, 界说为输入端规画力与质点振动速度的复数比值 . [6]3.2 变截面杆纵振动的摆荡方程考虑由均匀、各向同性资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布, 即在杆的横截面上应力分布是均匀的.图[2]图所示的是变截面杆纵振的示意图, 图中的 x 轴是变幅杆的中心对称轴, 作用在微小体元（ x , x dx 所限定的区间）上的张应力为 x dx , 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]：(S ) 2xdxSt 2dx（3.1）其中： S S(x) ——杆的横截面积函数； (x) ——质点位移； (x)E x——应力函数； ——杆资料的密度；E ——杨氏模量.当处于简谐振动的情况下, 式（3.3）又可以改写成3.32 1超声变幅杆的有限元x分2 析SS x xk 20（3.2）创作时间：二零二一年六月三十日创作时间：二零二一年六月三十日在超声波加工中, 要使变幅杆有效和可靠地工作, 保证所加 工零件的精度和加工效率, 变幅杆必需具有良好的静态特性, 因 此, 必需对变幅杆进行动力学研究.其内容包括两个方面：固有振 动特性分析和响应特性分析.所谓固有振动特性分析, 是研究在无 阻尼自由振动的条件下, 变幅杆的固有特征, 即固有频率和振动 应力.响应分析是用于确定变幅杆在接受随时间按正弦规律变动的 轴向载荷时的稳态响应, 目的是计算出变幅杆的动力响应, 并获 得响应位移和响应应力.对谐响应分析, 峰值响应发生在激振频率 和变幅杆的固有频率相等时, 换句话说, 只有当工作频率和变幅 杆的固有频率相等时, 变幅杆端面才华到达最年夜位移.因此, 在 谐响应分析之前, 应该首先做模态分析以确定变幅杆的固有频率. 由于变幅杆有很多固有频率, 我们只需求得工作频率附近的一个 固有频率[5].3.4 搭建实验平台, 测定变幅杆的主要性能参数[11]3.4.1 实验条件 (1) 超声波发生器：型号为 H66MC, 电源电压 220V, 频率 50Hz, 输出功率年夜于 250W, 频率可调范围为 18 ～22kHz. (2) －2, 频率范围 1 ～20kHz, 量程 300000ms－2±10%. (3) INV－4 多功能抗混滤波放年夜器精度 2%, 电荷输入时频 率范围为 0.1 ～20kHz. (4) 智能信号收集处置分析仪：型号为 INV3060F－5120. (5) PCI 数据收集卡；Labview 7.1 测试软件. 3.4.2 试验方法 (1) 传感器的标定设电荷输入端传感器电荷灵敏度为 Sg , 电压 值为V mV , 多功能抗混滤波放年夜器的设定增益为 K K1·K2 .此定时值的：被V 测U X信号K值 S为g： U2Xf 2；V 如K果丈Sg量.值如为果振丈速量,值则为标振定幅值, 为则：标V UX 2 f K Sg . (2) 将压电式加速度传感器通过螺纹连接在变幅杆小端. (3)将压电式加速度传感器的输出端接入 INV－4 多功能抗混滤波放年夜器中进行电荷放年夜, 并进行低通滤波. (4)将放年夜器接 INV3060F－5120 型智能信号收集处置分析仪, 并将输出端数据线与电脑连接.创作时间：二零二一年六月三十日创作时间：二零二一年六月三十日(5)丈量压电换能器的振动特性 测试仪器与装置:YM3371 数 字频率计、 H66MC 超声波发生器、INV －4 多功能抗混滤波放年 夜器、PCM 数据收集器、INV306DF 智能信号收集处置分析仪及 YD10D 压电式加速度计.四、研究工作进度：序号时间内容1熟悉课题具体情况, 了解课题主要任务课题调研、文献查阅、文献翻译以及及题陈 2说掌握 matlab、solidworks、ansys 等相关软件, 完成用解析法对三种类型超声变幅杆的 3设计, 完成机械技能训练图 0 号图纸量一份,完成总工作量的 50％以上.完成对三种超声变幅杆外形的设计计算工作, 4并对所设计的变幅杆的尺寸进行确认.完成变幅杆的有限元仿真工作, 其中包括模 5态分析和谐响应分析.搭建实验平台, 熟悉各仪器把持规则, 测定6变幅杆的主要性能参数, 撰写和完成结业设计论文, 并准备辩论.7辩论五、主要参考文献：[1]张云电. 超声加工及其应用[M].北京: 国防工业出书社, 1995: 15-17.创作时间：二零二一年六月三十日创作时间：二零二一年六月三十日[2]初涛. 超声变幅杆的设计及有限元分析[J].机电工程, 2009, 1(01):102-104. [3] 赵莉. 基于有限元的超声波加工中变幅杆的动力学分析与设 计[D]. 太原： 太原理工年夜学,2006. 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一种新型扭转振动超声变幅杆研究
一种新型扭转振动超声变幅杆研究赵学慧;林书玉【摘要】对一种新形状变幅杆进行了研究.根据刚体定轴转动的理论,推导得出变截面杆扭转振动方程,通过对反比例函数的优化,求出解析解.利用边界条件求出变幅杆的各项参数（放大倍数、谐振长度、频率方程以及输入阻抗）,并对输入阻抗随频率的变化进行研究.最后利用有限元软件Ansys对超声变幅杆扭转振动进行模拟.结果表明：共振频率的模态分析值与理论分析结果一致,这为变幅杆设计提供了依据.%In this work,a new kind of shape horn is studied.Based on the theory of fixed-axis rotation of rigid body,the torsional vibration equation of variable cross-section is established.By optimizing the inverse proportion function,the analytical solution of ultrasonic horn is obtained.According to the boundary conditions,the various parameters of ultrasonic horn,such as the magnification,resonance length,and the input impedance are derived.Finally,the model of ultrasonic horn′s torsional vibration is simulated by using the finite element software ANSYS,the results of resonance frequency modal are consistent with that of the theoretical value.【期刊名称】《陕西师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(039)005【总页数】4页(P39-42)【关键词】反比例函数变幅杆;扭转振动;放大系数;等效电路;有限元模态分析【作者】赵学慧;林书玉【作者单位】陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安710062;陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安710062【正文语种】中文【中图分类】O426.2近年来，功率超声技术发展极为迅速，其应用日益广泛，已经深入到工业、农业、国防、电子、能源、材料、生物技术、医药卫生和环境保护等领域，并在迅速地不断扩大到新的应用领域［1］.超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器，是功率超声术中比较重要而独特的部分，主要作用是将超声能量集中在较小的面积上.在设计换能器时，主要采用均匀的各向同性材料，不计机械损耗，且设扭转波在变幅杆中传播时为轴向传播，杆的横截面上的剪切应力分布均匀.在理论计算时假设变幅杆截面直径远小于变幅杆长度，最后通过有限元法模拟所设计变幅杆是否与目标相一致.本文运用Ansys通用有限元程序对优化反比例函数变幅杆进行模态分析，旨在探索更为精确的变幅杆设计方法.变截面杆作用在变幅杆输入端（x＝0），输出端（x＝l）处的扭矩及在两端振动角速度分别为M1和M2、˙φ2.如图1所示.即变幅杆谐振长度为半波长整数倍.与变幅杆长度和两端截面半径比有关，随着b不同，x0点位置也随着发生变化.可以通过取不同的b，用Matlab画出其图形，然后求出x0点位置.长整数倍时，与悬链型、指数型变幅杆一样，放大倍数都是N.图2为阻抗随频率变化情况.角位移为采用45号钢，扭转波在钢中传播速度v＝3 136 m／s，E＝2.0×1011 N／m2，ρ＝7 870 kg／m3，泊松比σ＝0.292.模态分析共分为2组，前4个为第一组，后4个为第二组.结果见表2.通过分析，可以发现一个特别明显的现象，第一组变幅杆长度不变，截面积比发生变化，变幅杆谐振频率理论值与模态分析值相对误差很小，说明截面积变化对共振频率没有影响；第二组变幅杆长度发生变化，谐振频率理论值与模态分析值相对误差很小，说明理论分析正确.综上所述，本文对优化反比例函数变幅杆的理论进行分析，导出了各项参数，如谐振长度为半波长的整数倍，放大系数在谐振状态下等于面积系数N、角位移节点、形状因素等.最后通过有限元软件Ansys的模态分析，在变幅杆长度相同、截面积比不同情况下，模拟所得的变幅杆谐振频率与理论分析一致.另外，在不同的变幅杆长度、截面积比相同的情况下，模拟所得变幅杆谐振频率与理论分析一致，这为扭转变幅杆的设计提供有效指导.【相关文献】［1］林书玉.大振幅纵-扭复合振动模式超声变幅杆［J］.压电与声光，2002，24（1）：81-84. ［2］郑新梅，邱仰伟.扭转振动的理论分析［J］.江西电力职工大学学报，2001，14（3）：40-43.［3］林促茂.超声变幅杆的原理和设计［M］.北京：科学出版社，1987.［4］林书玉.扭转振动超声变幅杆计算及其等效电路［J］.声学与电子工程，1995（4）：19-23. ［5］许龙，林书玉.幂函数超声变幅杆理论研究与模态分析［J］.陕西师范大学学报：自然科学版，2007，35（4）：49-51.［6］郭林伟，解妙霞.指数型变幅杆的模态分析［J］.榆林学院学报，2005，15（3）：13-15. ［7］Howard F.Poll ard.Sound waves in solids［M］.London：Academic Press，1977：143-193.［8］Ioan Calin Rosca，Sergiu T.Chiriacescu and nicolae constantin cretu.Ultrasonic horns optimization［J］.Physics Procedia，2010，3：1033-1040.［9］Bozdag E，Sunbuloglu A E，Ersoy H.Vibration analysis ofnew galata Bridge-experimental and numerical results［J］.Computers and Structures，2006，84：283-292. ［10］莫喜平.新型弯张换能器的研究与设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学水声学院，1998. ［11］梁召峰，周光平，张亦慧.Ansys在功率超声领域中的应用［J］.机械与电子，2005（8）：10-13.。
基于ABAQUS超声振动钻削系统变幅杆模态分析
基于ABAQUS超声振动钻削系统变幅杆模态分析陈硕1,2(1. 东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819；2. 辽宁轨道交通职业学院机械工程系沈阳110023）摘要超声振动钻削是孔精密加工的新技术，其系统中的变幅杆对孔的加工具有重要影响。
首先介绍了变幅杆的工作原理，之后应用ABAQUS软件对变幅杆进行三维建模和模态分析，根据分析结果得到变幅杆最佳振型频率。
最后，在有与无超声振动辅助下钻削45号钢，对比分析孔加工质量。
通过结果分析，在最佳振型频率下，孔表面质量更好。
关键词超声振动钻削ABAQUS 变幅杆频率表面质量超声振动钻削属于振动切削的一个分支，加工工艺效果较好，可以提高孔的加工质量[1]，是钻削技术的一个创新发展。
基于超声加工原理，超声振动钻削在普通钻削的基础上增加一个超声振动，使钻削按某种规律变化，使钻削效果得到较好的改善[2]。
在加工过程中，钻头对工件是断续加工，相对于传统钻削工艺，取得了良好的钻削效果，能够避免传统钻削工艺的弊端，使钻削技术飞跃发展，受到了越来越多科研工作者的关注[3]。
超声振动钻削系统由换能器、变幅杆和钻头等部分组成，大部分采用轴向振动方式[4]。
随着研究的进展以及各种精密加工领域实际应用的需要，振动系统的设计方式和应用研究都取得了新的进展[5]。
超声变幅杆是超声加工系统中一个主要的部件，是换能器与钻头之间的桥梁，其主要作用是将换能器产生的振幅放大[6]。
在振动中通过消耗最少的能量，实现钻头振动幅度放大的目的，使钻尖部分达到共同振动[7]。
但变幅杆的振动状态很难计算，所以需要通过软件进行模态分析。
1 变幅杆的模态分析1.1 工作原理超声变幅杆可以放大振幅，首先理论分析，不考虑振动波在传播过程中的损耗，机械振动波的能量在变幅杆各截面是不变的，能量密度与截面面积成反比。
截面面积越小，能量密度越大；反之，能量密度越小。
当变幅杆共振时，振动放大效果最好。
1.2 分析过程在应用数学和计算机技术发展的促进下，研究者积极开发各种有限元软件。
一种超声波器件的3D有限元仿真与分析
一种超声波器件的3D 有限元仿真与分析超声波器件的3D 有限元仿真与分析摘要本文基于有限元分析的方法，研究了一种超声波器件的结构与性能，并通过3D 有限元仿真来进行分析和验证。
在分析过程中，通过对超声波器件的声学特性、机械特性和电学特性等进行研究，得出一些结论和建议，为超声波器件设计和制造提供一些借鉴。
关键词：超声波器件；3D 有限元仿真；声学特性；机械特性；电学特性1.背景超声波器件是一种新型的器件，它利用超声波实现对物质的检测、分析和加工等作用。
它在医疗、工业、环保等领域都有着广泛的应用，同时也是目前研究的热点之一。
在超声波器件的设计和制造过程中，通过3D 有限元仿真分析可以帮助工程师们更好地了解器件的特性和性能，为优化器件的设计提供重要的参考依据。
2.研究方法本研究通过使用ANSYS 工具进行3D 有限元仿真，对一个超声波器件的结构和性能进行了分析。
在进行有限元分析之前，需要先对器件进行建模，并根据物理特性进行网格划分和边界条件的设置。
在完成模型设置后，可以通过有限元分析对器件的声学特性、机械特性和电学特性等进行研究，并得出一些结论和建议。
3.结果与分析3.1器件结构分析本文研究的超声波器件的结构如图1 所示。
（图1）可以看出，本器件主要由声铁、电极和机械外壳等组成。
这些组成部分在实际应用中都有着重要的作用，所以必须对它们的结构进行详细的分析。
在声铁的结构设计中，需要考虑到它的共振频率、峰值灵敏度和品质因数等特性，同时也需要尽可能减小驻波的产生。
因此，在设计过程中需要选择合适的材料，并对声铁进行优化设计。
在电极的结构设计中，需要考虑到电极与声铁之间的匹配程度、电极的极性和大小等因素。
电极与声铁之间形成一个电机耦合系统，对器件的性能影响很大。
在机械外壳的结构设计中，需要考虑到其对声音传递的影响。
机械外壳的材料选择要求刚度较强，同时也需要对器件的声学性能进行分析。
3.2声学特性分析超声波器件的声学特性是衡量器件性能的一个重要指标。
变幅杆外形结构对超声纵向振动性能参数的影响
以上对两种变幅杆进行的模态分析结果表明 ，由于变幅杆外
０
ｅ
形结构对 陛能参数 的影响， 理论设计的阶梯形变 幅杆或者谐振频
率严重偏离设计频率值， 或者放大系数严重减小 ， 因而需要分析变
图 １理论设计变幅杆外形结构尺寸
幅杆外形结构对性能参数的影响规律 ， 进而对变幅杆进行修正。
ｓ ｎ ｃｌ ｎ ｉｕ ｎａ ｉ ｒ ｉｎ ｏ ｉ ｏ ｇ ｔ ｄｉ ｌｖ ｂ ａ ｏ ． ｔ Ｋｅ ｗｏ ｄｓ Ｔｈｅ ｙ ｒ ： ｕｌｒ ｓ ｎｉ ｃ ｔｎ Ｌａ ｔ ａ ｏ ｃ ｕｔｉ ｇ； ｄｄｅ ｙ ｕ ｔ ａ ｏ ｉ ｒ ｔ ｐｅ ｌｒ ｓ ｎ ｃ
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在 准 双 曲面齿 轮 超声 研 齿 系统 变 幅杆 的设 计 中 ， 者 对 变 幅 笔
第 ｌ ０阶模态作进一步分析 ， 可以确定变幅杆的放大系数 约为 １０， ． ２ 可见理论设计 的变幅杆尽管其谐振频率在设计频率附近 ， ６ 但其放大系数 已经严重减小 ， 不能满足使用要求 。 考虑到理论设计时未在节点处添加约束 ， 为和理论设计值对
伍利群
（ 南工 学院 ， 阳 ４ １０ ） 湖 衡 ２ ０ ８
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。