多台阶过渡段阶梯型变幅杆的设计
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
ｓ ｔ ｅ ｐｐｅ ｄ ｈ ｏｒ ｎ，ａ ｎｅ ｗ ｍｕｌ ｔ ｉ — ｓ ｔ ｅ ｐ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎｉ ｃ ｈ ｏｒ ｎ ｉ ｓ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎｅ ｄ．Ｔｈｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕｅ ｎｃ ｙ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｆ ｏｒ — ｍｕ ｌ ａ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｔ ｏｆ ｔ ｈｅ ｈｏ ｒ ｎ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｒ ｉ ｖｅ ｄ．Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ，ｄ ｉ ｓ — ｔ ｒ ｌ ｂｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｆ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｐｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｌ ｏｎ ｇ ｔ ｈｅ ａ ｘｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｈ ｏ ｒ ｎ ａ ｒ ｅ ｉ ｎｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇａ ｔ ｅ ｄ ． Ｔｈｅ ｒ ｅ —
（ Ｓｃ ｈｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｐｈｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇｙ，Ｓｈ ａ ａ ｎｘ ｉ Ｎｏ ｒ ｍａ ｌ Ｕｎｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ， Ｓｈａ ａ ｎｘ ｉ Ｋｅ ｙ Ｌａ ｂｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｕｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏｎ ｉ ｃ ｓ ，Ｘｉ ａ ｎ ７ １ ０１ １ ９，Ｓ ｈａ ａ ｎ ｘｉ ，Ｃｈ ｉ ｎａ ）
ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） ， ２ ０ １ ８ ， ４ ６ （ １ ） ： ６ ２ — ６ ６ ． ］ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ５ ９ ８ ３ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｊ ｓ ｎ ｕ ． ２ ０ １ ８ ． ０ １ ． ２ １ ５
多 台 阶过 渡 段 阶梯 型 变 幅杆 的设 计
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｍｕ ｌ ｔ ｉ — ｓ ｔ ｅ ｐ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｈ ｏ ｒ ｎ
Ｗ Ｕ Ｔｉ ｎ ｇ ｔ ｉ ｎ ｇ，ＨＥ Ｘｉ ｐ ｉ ｎ ｇ ，Ｗ ＡＮＧ Ｙａ ｎ ｊ ｕ ｎ ｒ Ｉ ． Ｉ Ｎａ ，ＹＡＮＧ Ｊ ｉ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ
第４ ６卷
第 １期
Ｖｏ １ ． ４ ６ ＮＯ ．１
２ ０ １ ８年 １月
Ｊ ａ ｎ ． ，２ Ｏ １ ８
引 用格 式 ： 武婷 婷 ， 贺 西平 ， 汪 彦军 ， 等．多 台阶过 渡段 阶梯 型变 幅杆 的设 计［ Ｊ ］ ． 陕 西师 范大 学学 报（ 自然科 学 版） ， ２ ０ １ ８ ， ４ ６ （ １ ） ： ６ ２ — ６ ６
［ ｗｕ Ｔ Ｔ， ＨＥ Ｘ Ｐ ， Ｗ Ａ Ｎ Ｇ Ｙ Ｊ ， ｅ ｔ ａ １ ． Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｍｕ ｌ ｔ ｉ — ｓ ｔ ｅ ｐ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｈ ｏ ｒ ｎ ［ Ｊ ］ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ ｕ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ １ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎｇ ｃ ｏｓ ｔ ａ ｎｄ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｔ ｔ ｈｅ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈｅ
比， 放 大 系数 相 近 ， 应 力 相 对 值 的峰 值 相 同 。
关 键 词 中 图分类 号 ： ０４ ２ ６ ． ２
文献 标志码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ６ ７ ２ ４ ２ ９ １ （ ２ ０ １ ８ ） ０ １ － ０ ０ ６ ２ — ０ ５
武 婷 婷 ，贺 西平 ，汪彦 军 ，李 娜 ，杨 佳 婷
（ 陕西 师 范 大 学 物 理 学 与 信 息 技 术 学 院 ， 陕西省超声重点实验室 ， 陕西 西安 ７ １ Ｏ １ １ ９ ）
摘 要 ：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
一种新型圆锥变幅杆的节点设计与试验分析
一种新型圆锥变幅杆的节点设计与试验分析刘俊利;丁龙;闫艳燕;张青华;王华伟【摘要】为了解决传统超声加工系统中谐振频率飘移及能量损失的问题,基于变截面杆纵振波动方程,在考虑固定件——法兰盘外观尺寸的前提下,首先建立一种新型圆锥变幅杆的节点计算公式,避免了传统超声加工系统设计时因不考虑连接处尺寸而造成系统变幅杆节点实际位置与理论计算不重合的问题,为超声振动系统稳定加工提供一定的理论支撑;其次,基于所建立的新型节点计算公式,分析法兰盘外观尺寸变化对节点位置的影响;最后,进行振动性能试验和有限元仿真验证.结果表明,与传统变幅杆设计理论相比,基于新型变幅杆节点计算公式所设计的变幅杆谐振频率更接近于设计频率,放大系数更大,振动效果更佳,证明基于该理论所设计的声学系统较为可靠.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(038)003【总页数】8页(P96-103)【关键词】超声变幅杆;超声振动系统;节点设计;谐振频率;振幅【作者】刘俊利;丁龙;闫艳燕;张青华;王华伟【作者单位】河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TB5590 引言随着硬脆材料在航空航天、手机指纹和机身、奢侈品外观、生物医学等高精尖领域的应用越来越广泛，超声加工技术作为硬脆性材料的一种有效加工手段，近年来受到了国内外更多的关注[1-2]。
超声振动加工装置一般由超声波发生器、换能器、变幅杆、加工工具等部件组成。
超声变幅杆是声学系统设计至关重要的部分，一般称其为超声放大杆或超声聚能器，它不仅起到振幅放大和能量集中的作用，而且还兼顾换能器和声负载之间的阻抗匹配的作用[3-6]。
带有加工工具的阶梯形超声变幅杆设计分析
1 带加工工具的阶梯形变幅杆的理论设计
依据一维波动理论，考虑由均匀、各向同性材料所构 成的变截面杆，不计机械损耗，并设平面纵波沿杆轴向传 播，其波阵面近似为一平面波，并且认为应力在横截面上 是均匀分布的，即变幅杆的纵向形变所引起的横向形变很 小，不致引起应力波的波阵面的畸变，因此振速分布应满 足方程[3-4]：
Key words: stepped ultrasonic horn；ANSYS Workbench；modal analysis；impedance analyzer
0 引言
超声变幅杆，又称超声变速杆、超声聚能器。在超声 技术中，特别是在高声强超声设备的振动系统中是很重要 的。它的主要作用是把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，即聚能作用[1]。单 一的频率在 20 kHz 以上换能器的振幅只有几微米，远远不 能够满足功率超声需求，因此在功率超声的引用中就必须 的幅值放大到所需的要求值。超声波换能器通过安装变幅 杆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。 在超声功率应用方面，人们根据实际需要研制出不同 种类的超声变幅杆。最简单、单一、常用的变幅杆有：指 数形、悬链形、阶梯形、圆锥形、傅里叶、高斯变幅杆。 还有一些为了提高变幅杆的某些性能，如增大放大系数， 提高振速比等，研制出了组合型的超声变幅杆。按照振动 类型，又可以分为纵振、弯振、以及复合振动。 相比指数形、悬链形、圆锥形变幅杆而言，由于阶梯 形变幅杆振幅放大系数与阶梯变幅杆的大小截面的半径之 比的平方成正比，因此具有更大的放大系数。所以本文设
Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，China）
指数形扭转振动变幅杆的设计
中国计量学院本科毕业设计（论文）指数形扭转振动变幅杆的设计Design of Torsional VibrationExponential Horn学生姓名黄俊杰学号0900201513 学生专业测控技术与仪器班级09测控5班二级学院计量测试工程学院指导教师郑慧峰中国计量学院2013年5月郑重声明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
学生签名：日期：分类号：TB95 密级：公开UDC：621 学校代码：10356中国计量学院本科毕业设计（论文）指数形扭转振动变幅杆的设计Design of Torsional VibrationExponential Horn作者黄俊杰学号0900201513 申请学位工学学士指导教师郑慧峰学科专业测控技术与仪器培养单位中国计量学院答辩委员会主席李东升评阅人张斌2013 年6月致谢时光飞逝，岁月如歌，四年的大学生活即将在这个季节画上句号，但是对于我的人生只是一个逗号，我将踏上人生新的征程。
在师长、亲友的鼓励和支持下，我走完了四年求学生涯，虽然艰辛但是获益匪浅，在论文即将付梓之际，思绪万千，久久不能平静。
本论文最终能顺利完成，要感谢的人有很多。
首先，我要由衷的感谢我的导师郑慧峰老师，从确定课题开始，郑老师就悉心为我点拨，为我之后课题的设计和深入研究奠定了扎实的基础。
在论文的撰写过程中，郑老师多次仔细阅读全文，并帮我修改论文中不合理的地方，提出宝贵的意见，使我收获良多。
同时我也积极与老师交流，使这篇论文能够更加完善。
郑老师严谨的教学，渊博的学识，宽阔的视野以及创新的精神为我营造了一种良好的精神氛围，让我能够全身心的投入到课题的研究中去。
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。
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]。
圆锥形及阶梯型变幅杆模态分析资料讲解
圆锥形及阶梯型变幅杆模态分析超声波变幅杆的设计及修正摘要:超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分。
本文结合超声变幅杆理论对设计变幅杆进行结果分析及参数修正,采用ANSYS 12.1对变幅杆进行了有限元模态分析，在此基础上，设计并加工了一个应用于超声显微切割系统中的、谐振频率为70 kHz的半波长圆锥型变幅杆，和用于超声波近场悬浮的、谐振频率是20kHz的阶梯型变幅杆，并进行了相关实验。
实验结果表明，利用ANSYS软件辅助设计方法得到的超声变幅杆，其谐振频率与模态分析值非常接近，修正理论也可以让变幅杆谐振频率更加接近设计值，为超声变幅杆的设计、校核和优化提供了一种新途径。
关键词:变幅杆;有限元;模态分析Design and Revise of Ultrasonic hornAbstract：Ultrasonic horns apply widely in ultrasonic processing. Combined with ultrasonic horn theory, correct the ultrasonic hornby formula, analysis the modal of horn by ANSYS 12.1, on this basis, design a half-wavelength conical horn which resonant frequency is 60kHz, used by a ultrasonic micro dissection system, and a stepped ultrasonic horn which resonant frequency is 20kHz, used by a near-field acoustic levitation system, then make the related experiment. The results show that the resonant frequency of the ultrasonic horn designed by ANSYS is approaching the theory value, the correction coefficient also can make the resonant frequency approach the theory value, that provides a new way to design, checking or optimization.Key word:Ultrasonic horn; Finite element; Modal analysis引言超声变幅杆是超声振动系统的重要组成部件，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移量或运动速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上[1]。
两级阶梯形变幅杆设计及优化
两级阶梯形变幅杆设计及优化
申昊;蔡万宠;郁鼎文
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2015(000)020
【摘要】基于 ANSYS workbench 多目标驱动优化模块对两级阶梯形变幅杆进行优化设计。
基于解析法设计两级阶梯形变幅杆，建立参数化变幅杆模型；在静力学分析基础上对变幅杆进行模态、谐响应分析。
通过52个设计点仿真分析获得谐振频率、放大系数、最大应力与变幅杆结构尺寸关系，并优化变幅杆尺寸。
研究表明，变幅杆谐振频率小于理论设计频率，振幅放大系数小于理论值，超声能量损耗较大。
优化所得变幅杆的谐振频率接近理论设计频率，提高放大系数。
为大功率、大振幅的超声变幅杆优化设计提供新的设计、优化思路。
【总页数】5页(P104-108)
【作者】申昊;蔡万宠;郁鼎文
【作者单位】清华大学机械工程学系，北京 100084;清华大学机械工程学系，北京 100084;清华大学机械工程学系，北京 100084
【正文语种】中文
【中图分类】TG663
【相关文献】
1.非轴对称变幅杆的设计及阶梯形变幅杆圆滑过渡的研究 [J], 俞宏沛
2.带有加工工具的阶梯形超声变幅杆设计分析 [J], 吕升锋;龙建军;李赶先
3.超声粉碎系统及圆锥过渡阶梯形变幅杆的设计和分析 [J], 刘玮;马麟;王波
4.圆锥过渡段阶梯形复合变幅杆的模态分析及优化设计 [J], 温平方;顾晓波;吴晓峰
5.基于有限元方法的阶梯形超声变幅杆的设计与修正 [J], 王忠进;缪兴华;胡神阳;汪炜
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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。
阶梯形超声变幅杆的设计分析
Ｄ ｉ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｈ ｐｅ ａ ｓ ｆ ｏ ｌ ｕ ｆ ｉｎ ｆ ｇ ｒ ｏ ｄ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｏ ｗ ｎ ａ ｄ ｖ ｎｔ ａ ａ ｇ ｅ ｓ ｎｄ ａ ｄ ｓ ｉ ａ ｄ ｖ ｎｔ ａ ｇｅ ａ ｓ ．Ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｃ ｉ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｏ
助设计可以在很大程度上可以克服数 学模型的一些 问题 ， 并得 到具有参考价值 的结果 ， 这就可以做为一种新 的设计和校
核 的方 法 。
关键词 ： 超声波； 变幅杆 ； 有限元 中图分 类号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｔ Ｑ ０ ５ １ ． ９ ＋ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — ０ ０ １ ４ — ０ ３
（ １ ． Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ， Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ２ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｔ ａ ｉ Ｙ ｕ ａ ｎ Ｔ Ａ Ｉ Ｃ Ｏ Ａ ｕ ｔ ｏ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ０ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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