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

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超声变幅杆的应用与发展

Science &Technology Vision1变幅杆的功能简介超声变幅杆是超声振动系统中的重要组成部分，又称为超声聚能器和超声变速杆。

在超声技术中它不仅具有放大机械振动系统质点的位移或速度功能，还具有将振动能量聚集和匹配系统阻抗的作用。

在超声振动系统中，换能器是整个系统的振动源，但是在振动频率高达2000Hz 的范围内，换能器端面的输出振幅仅有几微米，这样达不到实际使用的要求，在这种情况下就需要在换能器上安装变幅杆体到增幅作用。

当换能器向液体介质辐射声场时，由于声波在传播的过程中经过不同的介质阻抗不匹配，导致能量的传输效率下降，此时就可以使用变幅杆通过增大辐射面积来进行阻抗匹配，从而提升了能量传输的效率。

随着声学技术的发展，变幅杆的应用愈加广泛，将会发挥更大的作用。

2变幅杆的研究现状2.1发展历史为了提高超声应用系统的功率和效率，人类早在20世纪40年代就发明了纵振指数型变幅杆，到了50年代悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆被苏联学者提出。

60年代对变幅杆的研究更加深入，对变幅杆的设计要求更细更高，提出了描述变幅杆形状因数的概念，并成功设计出高斯型变幅杆，该变幅杆具有应力沿杆件均匀分布的特点从而提高了变幅杆的使用寿命并获得高位移振幅。

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，随着换能器技术的进步与之匹配的变幅杆也得到了相应的发展，弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆也先后被研发并应用，这样使变幅杆的工业应用范围进一步扩大。

变幅杆除了以上杆件形状外，等厚度或变厚度的盘形或环形以及大块状变幅杆在大功率超声冷拔丝、超声焊接、超声切割中得到应用。

总之随着超声技术的进步变幅杆从简单到复杂，应用领域愈加广泛。

2.2研究现状随着超声技术应用的日益广泛，对超声系统的要求也越来越高，变幅杆作为超声系超声变幅杆的应用与发展巩建辉赵鹏姚静基金项目:商洛职业技术学院2019年重大课题项目(JXKT2019006)。

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。

超声变幅杆数字化设计系统开发

数字化设计系统。该系统集成了实例推理技术和专家系统等现代设计方法，实现了变幅杆从类型选择到结构尺寸确定等一
系列工作的智能化，提高了变幅杆设计的质量和效率。
关键词：超声：ＴＨ１３６；ＴＰ３１文献标识码：Ａ文章编号：１００１— ３８８１（２０１３）５—１３０— ３
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕｈｒａｓｏｎｉｃａｍｐｌｉｔｕｄｅｈｏｎ；Ｄｒｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎ；Ｃａｓｅ — ｂａｓｅｄｒｅａｓｏｎｉｎｇ；Ｅｘｐｅｒｔｓｙｓｔｅｍ
ｓｏｎｉｃａｍｐｌｉｔｕｄｅｈｏｒｎｈａｓｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌｏｗｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙａｎｄｐｏｏｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｐｕｔｔｉｎｇｔｈｅｅｍｐｈａｓｉｓｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｙｐｅｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｍｐｌｉｔｕｄｅｈｏｎ，ａｒｄｏｐｔｉｎｇＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｌａｎｇｕａｇｅ，ｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｍｐｌｉｔｕｄｅｈｏｎｒｗａｓｄｅｖｅｌ — ｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｔｈｅｃａｓｅ — ｂａｓｅｄｒｅａｓｏｎｉｎｇａｎｄｅｘｐｅｔｒｓｙｓｔｅｍｉｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｑｕａｌｉｔｙａｎｄｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｍｐｌｉｔｕｄｅｈｏｒｎａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．

超声波焊接变幅杆型号-概述说明以及解释

超声波焊接变幅杆型号-概述说明以及解释1.引言1.1 概述超声波焊接是一种应用超声波能量将两个或多个工件连接在一起的技术。

通过超声波振动产生的摩擦和压力，材料表面在接触区域发生塑性变形，从而实现焊接。

相对于传统的热焊接方法，超声波焊接具有无需外部加热源、能耗低、环境友好、焊接速度快、焊接强度高等优点。

变幅杆是超声波焊接中的关键元件，它负责将振动源产生的高频振动转化为大幅度、低频振动，并传输至焊接头上。

其主要作用是放大振幅，以增大焊接头的振动能量。

变幅杆一般由金属材料制成，具有一定的弹性和刚度。

根据结构和工作原理的不同，变幅杆可以分为两种类型：机械式变幅杆和共振式变幅杆。

机械式变幅杆通过机械机构的放大作用，将振动源产生的高频振动转换为大幅度的低频振动。

共振式变幅杆则利用共振效应，使得振动源的频率和变幅杆的固有频率相吻合，从而实现振幅的最大化。

在实际应用中，不同型号的超声波焊接变幅杆具有不同的特点和适用范围。

根据焊接头的尺寸和材料的不同，可以选择合适的变幅杆型号来实现最佳的焊接效果。

因此，深入研究和分析超声波焊接变幅杆的型号与性能之间的关系，对于提高焊接质量和效率具有重要意义。

总之，超声波焊接是一种高效、可靠的焊接技术，而变幅杆作为其中的关键元件，对焊接效果有着重要的影响。

本文旨在就超声波焊接变幅杆的型号进行深入研究，并对其性能和应用进行总结和展望，以促进超声波焊接技术的发展和应用。

1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在介绍本篇长文的框架和组织方式，以帮助读者对整篇文章的结构有一个清晰的认识。

本文采用以下各部分组成的结构：第一部分是引言部分，主要包括概述、文章结构和目的三个小节。

在概述部分，将对超声波焊接变幅杆的重要性和应用背景进行简要介绍，引发读者的兴趣。

文章结构部分将详细说明本文的各个章节和小节的内容安排，以便读者在阅读过程中能够更好地理解文章的逻辑结构和脉络。

目的部分将明确本文的写作目标和意义，指出本文的研究意义和实际应用价值。

2004 朱武张佳民基于四端网络法的超声变幅杆设计

第20卷第4期上海电力学院学报Vol.20,No.42004年12月Journal of Shanghai University of Electric Power Dec.　2004文章编号:1006-4729(2004)04-0021-03基于四端网络法的超声变幅杆设计收稿日期:2004-05-13(特约稿)作者简介:朱　武(1969-),男,博士,副教授,湖北随州人,主要研究方向为检测技术、智能仪器和大功率超声应用.上海市教委优秀青年教师培养计划后备人选.朱　武,张佳民(上海电力学院信息与控制工程系,上海　200090)摘　要:从变截面杆作一维纵振动的运动方程出发,建立机械四端网络的数学模型及传输特性方程,导出了圆锥形变幅杆的频率方程和振速比.并在此基础上,用四端网络法设计了工作频率为20kH z 的圆锥形超声变幅杆.关键词:机械四端网络;超声变幅杆;传输参数中图分类号:T B55 文献标识码:ADesign of H orn U sing Four 2terminal N etw ork MethodZH U W u ,ZH ANGJia 2min(Dept.o f Information and Control Technology ,Shanghai Univer sity o f Electric Power ,Shanghai 200090,China )Abstract :　From the m otion equation of the bar which vibrates one 2dimensionally and longitudinally ,the m odel of mechanical four 2terminal netw ork and the trans fer equations are set up ,and the natural frequency equation of coniform horn and the ratio of speed of vibration are derived.On this basis ,with the help of four 2terminal netw ork ,the coniform horn w orking at 20kH z is designed.K ey w ords :　mechanical four 2terminal netw ork ;ultras onic horn ;trans fer parameter 本文采用四端网络方法,从任意截面细杆的一维纵振运动方程及其通解入手,利用边界条件导出其机械运动方程组,进而得到机械四端网络模型.将超声变幅杆的每一部分都等效为一个机械四端网络,利用连续条件将每个网络的传输矩阵相乘,得出复合超声变幅杆的整体传输矩阵,由此设计出复合超声变幅杆,并对其性能进行分析.1　机械四端网络数学模型的建立假设有一任意截面的均质细杆,长为L ,截面积函数为S (x ),质量密度为ρ,拉压弹性模量为Y ,横向尺寸远小于声波长,视为细杆作一维纵向振动.取细杆中心线为X 轴,左端面为原点,如图1所示.图1　任意截面细杆作一维纵振动显然,X 截面的纵向位移u 是坐标x 和时间t两个变量的函数,即u =u (x ,t ),可得到细杆作纵振动的运动支配方程92u 9x 2+1S 9S 9x 9u 9x =1c 292u9t 2(1)式中,c =Y/ρ为杆中纵波速,对一定的材料,c 是个常数.若细杆受简谐激励,则式(1)变为92u 9x 2+1S 9S 9x 9u9x +k 2u =0(2)式中,k =ω/c ,为波数,ω为角频率.由文献[1]根据细杆两端的边界条件:振速条件(u ・|x =0=u ・1,u ・|x =L =u ・2)或力平衡条件(F |x =0=-F 1,F |x =L =-F 2),可得其机械运动方程组为F 1=ρc j 2k 9S 19x u ・1+ρck 1S 1jk tg k 1L u ・1-ρck 1S 1S 2jk sin k 1L u・2(3)F 2=ρck 1S 1S 2jk sin k 1L u ・1-ρck 1S 2jk tg k 1L u ・2+ρc j 2k 9S 29x u・2(4) 由式(3)可得u ・2=9S 19x sin k 1L +2k 1S 1cos k 1L2k 1S 1S 2u ・1-jk sin k 1L ρck 1S 1S 2F 1=α11u ・1+α12F 1(5)将式(5)代入式(4)可得F 2=ρck 1S 1S 2jk sin k 1L -α11ρck 1S 2jk tg k 1L -ρc j 2k 9S 29x u ・1-α12ρck 1S 2jk tg k 1L -ρc j 2k 9S 29x F 1=α21u 1+α22F 1(6)式中:α11=9S 19xsin k 1L +2k 1S 1cos k 1L 2k 1S 1S 2(7)α12=-jk sin k 1Lρck 1S 1S 2(8)α21=ρck 1S 1S 2jk sink 1L -α11ρck 1S 2jk tg k 1L -ρc j 2k 9S 29x(9)α22=-α12ρck 1S 2jk tg k1L -ρc j 2k 9S 29x(10)由式(5)和式(6)可得任意截面细杆可等效为一机械四端网络,如图2所示.图2　单一截面杆的等效四端网络其传输特性方程为u ・2F2=α11　α12α21　α22u ・1F 1(11)定　义:A =α11　α12α21　α22为四端网络的传输矩阵.在实际应用中,振动系统往往是由多个部件组合的复合系统.如果将组成系统的每一个部件都等效为一个机械四端网络,然后将相应各传输矩阵连续相乘,可得到一个整体四端网络及其传输矩阵.在一定的条件下,振动系统的性能特征取决于其四端网络传输矩阵.图3描述的是复合振动系统的四端网络图.图3　复合超声振动系统的等效四端网络将系统的任意一级等效为一机械四端网络,其传输特性方程为Z i +1=D i Z i(12)式中:Z i +1=u ・i +1F i +1　Z i =u ・i F iD i =αi 11　αi12αi 21　αi 22按其组合的顺序,将各级传输矩阵连续相乘,可得到复合振动系统的传输特性方程Z n +1=A Z i (13)式中:　A =D n D n -1…D 2D 1α11　α12α21　α22Z n +1=u ・n +1F n +1　Z 1=u ・1F 12　性能解析由四端网络传输特性方程可求出振动系统的谐振频率、位移放大系数等性能参数,或根据谐振频率设计出系统的几何尺寸.利用四端网络的传输特性,还可以方便地得到振动系统的应力分布.当振动系统两端自由、且两端位移最大时,传输特性方程为22上　海　电　力　学　院　学　报 2004年u ・n+1=α11　α12α21　α22u ・1(14)由式(14)可得振动系统的频率方程α21=0(15)两端振速比为u ・n +1u ・1=α11(16)3　圆锥过渡阶梯形复合变幅杆四端网络设计变幅杆的结构如图4所示.L 1,L 2,L 3分别为变幅杆的3段的长度.假设3部分材料相同.图4　圆锥过渡复合变幅杆结构由图4可知,复合变幅杆由等截面杆和圆锥形杆构成,将等截面和圆锥截面杆件的形状参数代入方程(7)、方程(8)、方程(9)和方程(10),不难得到3段变幅杆的四端网络传输矩阵A 1,其分别为A 1=α111　α112α121　α122=cos kL 1 -j sin kL 1ρcS 1-j ρcS 1sin kL 1　cos kL 1A 2=α211　α212α221　α222=-αksin kL 2+cos kL 21-αL -j sin kL 2ρcS 1(1-αL 2)ρc S 1jkk (1-αL 2)+α2ks in k L 2-α2L 2c os k L 2　(1-αL 2)c os k L 2+αks in k L 2　A 3=α311　α312α321　α322=cos kL 3　　-j sin kL 3ρcS 3-j ρcS 3sin kL 3　cos kL 3 式中:α=(N -1)/NLN =S 1/S 2由上述分析可知,变幅杆的整体传输矩阵为A =α11　α12α21　α22=α311　α312α321　α322α211　α212α221　α222α111　α112α121　α122(17)将各相应的传输矩阵代入式(17),根据式(15)和式(16)可得到复合变幅杆的频率方程tg k L 3=-tg k L 1+αk 1+αN k tg k L 2+tg k L 2-αN k1-tg k L 1+αktg k L 2(18)及两端振速比v ev f=N -s in k L 1+αkc os k L 1s in k L 2+c os k L 1c os k L 2c os k L 3(19)现采用硬铝合金作为变幅杆材料,变幅杆工作频率为20kH z ,面积系数N =2,声速为c =5150m/s ,振幅放大系数约为4的圆锥过渡阶梯形复合变幅杆.当L 1取1/4波长时,由式(18)和式(19)可得到圆锥变幅杆各部分几何尺寸:L 1=64mm ,L 2=25mm ,L 3=52mm .4　结　论用等效机械四端网络法设计和分析变幅杆,是设计超声变幅杆的有效方法,它避免了传统设计过程中复杂的运算.通过超声焊接变幅杆设计实际应用表明,等效机械四端网络法与传统设计方法具有相同的结果.参考文献:[1]朱　武,张佳民.超声振动系统设计及性能分析[J ].上海电力学院学报,2004,20(3):47～50.[2]陈桂生.超声换能器设计[M].北京:海洋出版社,1984.23～337.[3]林仲茂.超声变幅杆的原理和设计[M].北京:科学出版社,1987.97～99.[4]贺西平,程存弟.纵振型超声变幅杆的等效四端网络[J ].陕西师范大学学报.1994,22(1):87-88.32 朱　武等:基于四端网络法的超声变幅杆设计。

一种新型医用清创超声波变幅杆设计

一种新型医用清创超声波变幅杆设计
谭荆;冯子成
【期刊名称】《医疗卫生装备》
【年(卷),期】2009(030)001
【摘要】目的:研制一种新型医用超声波清创机,根据超声波在清创运用的特点设计变幅杆.方法:根据清创机的具体要求,运用先进的电子设计手段设计变幅杆超声声强阀值、变幅杆振动幅度、传播的近场距离等.结果:超声波变幅杆达到各种技术指标,采用钛合金材料,具有耐腐蚀,抗疲劳的优点.结论:设计出的变幅杆在清创机中运用效果良好,证明了设计的合理性.同时,根据不同的使用条件和病例还可以设计出其他金属材料变幅杆.
【总页数】3页(P34-36)
【作者】谭荆;冯子成
【作者单位】重庆工商大学,计算机与信息工程学院,重庆,400020;重庆工商大学,计算机与信息工程学院,重庆,400020
【正文语种】中文
【中图分类】TH77
【相关文献】
1.一种新型清创车的设计与应用 [J], 邹晓华;张建萍
2.介绍一种新型医用超声波震动混合器 [J], 夏顺珍;顾小花;秦康生
3.一种新型清创车的设计与应用 [J], 邹晓华;张建萍
4.一种新型圆锥变幅杆的节点设计与试验分析 [J], 刘俊利;丁龙;闫艳燕;张青华;王华伟
5.介绍一种新型医用超声波震动混合器 [J], 夏顺珍; 顾小花; 秦康生
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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。

超声焊接圆锥复合变幅杆的设计与分析

超声焊接圆锥复合变幅杆的设计与分析
李永亮;王敬;马毓
【期刊名称】《机械科学与技术》
【年(卷),期】2022(41)3
【摘要】针对超声塑料焊接变幅杆因加工对象不同而存在的设计难题,结合具体工程案例,综合了基于纵波传输理论的复合变幅杆的参数化建模、有限元模态与谐响应分析,阻抗分析与实验分析的一体化方法,实现了圆锥复合变幅杆的设计、建模及结构优化的高效性,准确性。

结果表明:采用嵌入参数的建模可以更快的实现复合变幅杆结构设计及优化;有限元分析与阻抗分析方法在复合超声变幅杆的振型、频率特性分析上吻合度较高,试验测试满足设计要求;可以为单头超声塑料焊接复合变幅杆提供通用的设计、分析方法。

【总页数】6页(P357-362)
【作者】李永亮;王敬;马毓
【作者单位】重庆工商大学机械工程学院;重庆工商大学制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TB559
【相关文献】
1.圆锥过渡段阶梯形复合变幅杆的模态分析及优化设计
2.圆锥形超声变幅杆的设计及实验分析
3.超声波镗削复合振型变幅杆的设计与分析
4.1/2波长圆锥过渡复合超声变幅杆优化设计
5.大截面圆锥形超声变幅杆的设计及负载特性分析
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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

基于VB平台迭代法优化设计超声变幅杆

图如图１所示。
＼，Ｉ
，Ｉ
百微米，因此必须在换能器的端面连接超声变幅杆，
将机械振动振幅放大。
＼斗
图１超声振动切削加工示意图
１．超声发生器
５．节点压板
对于超声变幅杆，不管是哪种形式，长度最好是谐振长度的半长或全长，因此长度的计算越精确越好。一般采用牛顿迭代法来解，但众所周知，手工进行牛顿迭代法计算耗时长，计算准确度不高，容易出
１引言
在现代超声技术中，特别是在高声强超声设备的振动系统中的设计计算很重要。由于在振动系统中必须精确计算超声变幅杆。超声变幅杆的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或将超声能量
摘ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
ａｌｓｏｃａｎｇｅｔａｂｅｓｔｐｒｏｇｒａｍｔｈａｎｔｒａｄｉｔｉｏｎｌａｗａｙ，ＶＢｃａｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｎｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ，

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