新型柱孔式模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统*

为了改善基于螺旋槽结构和斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统存在的结构复杂、扭转分量较小等问题,论文提出了基于新型柱孔式复合变幅杆的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统,并利用有限元法和数据分析对其进行了仿真分析,结果表明,引入新型柱孔式复合变幅杆的系统的输出端面的剪切应力、旋转角度得到了大幅提升,能够有效地提高纵、扭振动的转换效率。     

纵-扭复合振动模式指数型复合超声变幅杆的研究

本文对指数型纵－扭复合振动模式的复合超声变幅杆进行了理论及实验研究，该变幅杆由均匀截面直棒及指数型截面杆组成。文中推出了变幅杆中纵向振动及扭转振动的共振频率方程，通过发迹指数型变截面棒的截面变化规律，实现了同一变幅杆中纵向振动与扭转振动的同频共振。     

微织构超声振动铣削系统的研究

为了在金属切削过程中在7075铝合金表面形成稳定的微织构以提高其服役性能，提出一种微织构超声铣削加工工艺。为此，该文 首先基于运动合成原理获得了刀尖的运动轨迹特征和工件表面的织构形貌特征。然后，基于等效电路原理和传输矩阵法建立了超声铣削系统的频率方程，并应用牛顿迭代法获得了准确的数值解，通过ANSYS软件对建立的超声振动系统分别进行模态分析和谐响应分析，获得了具有微织构特征的纵扭复合超声铣削系统。最后，对加工制造出的微织构纵扭复合超声铣削系统进行振动测试、切削力测试和加工测试，结果表明：工件表面形成的“鱼鳞网纹”微观织构能够改变其润湿性能。     

斜槽式纵-扭复合模式压电超声换能器的研究

对斜槽式纵-扭复合振动模式压电超声换能器进行了理论及实验研究。推出了换能器的机电等效电路,探讨了槽的倾斜程度对复合超声换能器的共振频率的影响。实验表明,理论预测频率与实测频率基本一致。     

超声振动系统的纵-弯和扭-弯复合振动

对超声变幅杆以及变幅杆与夹心换能器组成的振动系统的纵－弯和扭－弯复合振动进行了研究．变幅杆是任意变截面杆,弯曲振动分析是基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ理论．理论结果进行了实验验证．     

斜槽式单激励纵扭超声变幅杆设计*

为实现在纵向单激励超声振动输入条件下获得纵扭谐振输出,提出一种基于声波传播理论为基础设计阶梯型变幅杆,并在其小端增加沿中心轴均布6斜槽的圆环传振杆的方案：首先数值计算进行理论设计,然后使用有限元进行分析修正,最后确定变幅杆尺寸。结果表明：理论设计谐振频率20kHz,仿真分析在19457Hz时变幅杆能够实现纵扭谐振;根据仿真结果制作变幅杆,阻抗测试结果谐振频率为19884Hz,与理论值、仿真值误差较小;在输入端加载幅值为5μm的纵向单激励超声振动,测试输出端截面圆周上任意一点,其切向和纵向振幅分别为12.7μm和8.5μm,表明变幅杆实现了纵扭谐振且振幅增强。     

一种纵扭复合换能器型超声马达的原理及实验研究

本文从纵扭振动换能器理论出发，计算了一种新的复合换能器型超声马达，并进行了实验研究，测出了其主要性能参数。     

纵－扭复合模式夹心式功率超声压电换能器的研究

本文对纵－扭复合模式功率超声换能器进行了研究，该换能器由指数型前后金属喇叭盖板以及轴向极化和切向极化的两组压电陶瓷晶片组成。文中推出了换能器中纵向及扭转两种振动模式的共振频率方程。通过改变换能器前后指数型盖板的半径减编系数，得出了换能器中纵向与扭转两种振动模式同频共振的条件。实验表明，换能器的设计频率与测试频率基本一致，而且，换能器的纵向及扭转共振频率也比较接近，该换能器可望应用于超声加工及焊接等高振幅的功率超声技术中。     

纵-扭谐振超声滚压系统设计与试验

为实现6061铝合金高效优质表面强化,采用有限元仿真法优化设计了阶梯型纵-扭谐动变幅杆,设计、制造了一套纵-扭超声滚压试验装置。纵-扭谐动通过检测变幅杆输出端纵向、扭转两个方向的振幅间接验证。进行超声滚压试验,结果表明：相比普通滚压加工,纵-扭谐振超声滚压过试件表层显微硬度最高提高了41%;在所选参数范围内出现随着静压力增大表面显微硬度整体呈现局部变化整体增大趋势,随着转速增加呈现局部变化整体减小的趋势,随着进给量的增大先增大后减小的现象;相比普通滚压加工,纵-扭谐振超声滚压过的工件表面组织更细密光滑,滚痕由于扭振的高频反复挤压明显减少,形貌得到了较大改善,从而证明纵-扭超声滚压加工能更有效的实现6061铝合金的强化处理。     

基于声子晶体位错理论的二维超声塑料焊接系统

为了有效改善二维工具头辐射面振幅分布不均匀的问题,对二维超声塑料焊接系统进行了优化设计研究:首先,利用横向位错在大尺寸长条形工具头上构造近周期声子晶体同质位错结,调节带隙的宽度和位置,使得二维超声塑料焊接系统的工作频率位于工具头的横向振动的带隙内,进而有效地控制工具头X方向的横向振动;其次,利用近周期声子晶体斜槽结构进一步优化辐射面的振幅分布均匀度,并分析了斜槽结构参数对超声塑料焊接系统纵向共振频率和振幅分布均匀度的影响规律.模拟仿真结果表明,近周期声子晶体同质位错结和斜槽结构能够实现对二维超声塑料焊接系统的优化,为横向振动抑制理论的进一步研究提供了基础.     

基于二维声子晶体结构的大尺寸超声 塑料焊接系统*

在大尺寸的圆柱形超声塑料焊接系统的工具头上加工周期性槽,形成一种二维声子晶体结构。对基于二维声子晶体结构的圆柱形工具头进行了声子晶体的带隙分析,并对优化设计后的该超声塑料焊接系统进行数值模拟。探讨了开槽前后超声塑料焊接系统振型的变化以及工具头输出端面纵振动的位移分布。研究结果表明,二维声子晶体结构能有效地抑制横向振动,增强纵向振动,并均匀输出端面的振幅,可以实现对超声塑料焊接系统的优化设计。     

响应面法的杆式超声电机有限元模型修正

现有杆式超声电机的有限元模型大都采用连续复合材料的简化结构形式,忽略了实际超声电机各部件间的接触特性,导致计算结果与实验结果具有较大偏差。针对该问题,提出了一种采用响应面法的杆式超声电机有限元模型修正方法,来获得高精度的有限元模型。该方法考虑了超声电机螺栓预紧力及各部件接触界面的法向接触刚度和摩擦系数,筛选出显著影响电机工作模态的参数,建立响应面模型替代超声电机的有限元模型实现快速计算结构响应的目的,并以实验模态分析结果为目标对模型进行修正。修正结果表明,修正后的模型模态频率的平均误差由修正前的1.20%降到0.21%,模型精度得到明显改善,表明以响应面的有限元模型修正方法对杆式超声电机以及类似夹心式压电振子的设计具有应用价值。      

类声子晶体结构对超声塑料焊接工具横向振动的抑制

利用声子晶体的带隙理论以及耦合振动理论对大尺寸矩形超声塑料焊接工具的耦合振动进行了研究.在实际工程应用中,大尺寸工具的横向振动将严重导致工具头辐射面位移不均匀,影响系统的焊接质量及工作效率.为提高其工作效率,改善工具头辐射面位移的均匀程度,利用类声子晶体结构对大尺寸超声塑料焊接工具的横向振动进行抑制,分析并得出了类声子晶体结构的横向振动带隙,同时分析了工具头横向振动未抑制与抑制后其辐射面位移的大小与均匀程度.研究表明,通过合理设计类声子晶体的结构及尺寸,可以有效抑制超声塑料焊接工具的横向振动.不但改善了焊接工具辐射面纵向振动位移的均匀程度,而且提高了焊接工具的纵向振动位移幅度.     

Development and analysis of a longitudinal and torsional type ultrasonic motor with two stators

In this paper, a new longitudinal and torsional type ultrasonic motor with two stators is presented and investigated. Normally, such a motor consists of one rotor and one stator, and two types of transducers that are longitudinal PZT and torsional PZT are used to generate the desired elliptical locus on the stator surface. The operating frequency is at the resonance frequency of torsional transducer. In order to enhance the efficiency of the motor, however, the resonance frequencies of both transducers should be closed to each other. For the purpose of matching the resonance frequencies, a symmetrical structure is adopted in design of the motor. Furthermore, two rings are added to the stators in order to adjust the resonance frequencies of these two transducers. A finite element model is developed and ANSYS software is used to analyze the resonance frequencies of longitudinal vibration and torsional vibration as well as optimize the motor geometry. According to the FE results, an experimental prototype is fabricated and the experimental results agree well with the theoretical predictions.     

夹心式纵-扭复合模式压电超声换能器的共振频率

本文对夹心式纵-扭复合振动模式压电超声换能器进行了研究．从换能器的等效电路出发，在无耦合时，得出了换能器中纵向振动模式及扭转振动模式的各自共振频率方程．实验表明，换能器各自共振频率的测试值与理论计算值基本符合．     

夹心式纵-扭复合模式压电超声换能器的共振频率

本文对夹心式纵－扭复合振动模式压电超声换能进行了研究，从换能器的等效电路出发，在无耦合时，得出换热能器纵向振动模式及扭转振动模式的各自共振频率方程，实验表明，换能器各自共振频率的测试值与理论计算值基本符合。     

Coupling and degenerating modes in longitudinal–torsional step horns

Longitudinal–torsional vibration is used and proposed for a variety of ultrasonic applications including motors, welding, and rock-cutting. To obtain this behavior in an ultrasonic step horn one can either, (i) couple the longitudinal and torsional modes of the horn by incorporating a ring of diagonal slits in the thick base section or, (ii) place helical flutes in the thin stem section to degenerate the longitudinal mode into a modified behavior with a longitudinal–torsional motion. This paper compares the efficacy of these two design approaches using both numerical and experimental techniques.     

超声辅助搅拌摩擦焊仿真分析及实验

为解决传统的搅拌摩擦焊工艺存在的轴向压力过大、搅拌头易磨损、焊接表面存在缺陷等问题,设计了一种集搅拌头与夹心式纵扭超声振动换能器为一体的超声辅助搅拌摩擦焊工具头。对超声辅助搅拌摩擦焊工具头进行了模态分析与谐响应分析,确保换能器结构满足要求。应用仿真软件对超声辅助搅拌摩擦焊进行了流体场、温度场和声场仿真分析,验证了在搅拌摩擦焊过程中加入纵扭超声振动能够增强材料的软化率,提高焊接材料的塑性流动。搭建实验平台,进行了6061铝合金的超声辅助搅拌摩擦焊焊接实验。结果表明,纵扭超声的引入能够提高焊接过程中材料流动性,减小搅拌头的前进阻力和轴向压力,改善焊接表面质量。在焊头转速900 r/min、焊接速度1.4 mm/s、轴向压力2.6 kN、超声功率100 W时,焊接效果最好,能较好地应在铝合金、镁合金等焊接熔点比较低的轻金属焊接之中。     

Wave structure analysis of guided waves in a bar with an arbitrary cross-section

Both dispersion curves and wave structures, which are displacement distributions on a bar cross-section, are essential for guided wave NDEs. Theoretical dispersion curves and wave structures for a bar with an arbitrary cross-section are derived in this paper using a special modeling technique called the semi-analytical finite element method (SAFEM). The guidelines for guided wave NDEs of bar-like structures are also shown based on wave structure and modal analysis. First, the relationship between the dispersion curves and their corresponding wave structures were obtained for a square rod. Modes with longitudinal vibration have higher group velocities and torsional modes have constant phase and group velocities. Next, the relationship between the dispersion curves and wave structures for a rail are detailed. The rail is used to represent a bar with a complex cross-section. Similar to the square rod results, the rail's longitudinal modes have higher group velocities. However, the rail contains modes with local vibration. Finally, single mode detection and excitation techniques are introduced. A single mode can be obtained by detecting and exciting with a weighted function that corresponds to a specific mode's wave structure.