旋转超声磨削平行砂轮复合变幅器设计与试验*

为了获得大负载平行砂轮复合变幅器的设计方法,将复合变幅器简化为复合变幅杆与多阶环盘组成。利用Mindlin中厚板理论,求解了各振动环盘的位移、转角、弯矩和剪力解析表达式,并通过复合变幅杆各振动单元间的力、位移的边界条件和连续条件,以及复合变幅杆和环盘两者结构间力与位移的耦合条件,建立了复合变幅器的数学模型和频率方程。针对频率方程进行编程求解 ,设计了平行砂轮复合变幅器。通过有限元仿真分析、实物阻抗特性试验、谐振试验验证。试验结果表明：平行砂轮复合变幅器的试际谐振频率、节圆位置与理论设计的误差小于5%,验证了其理论设计方法的正确性。为研制大负载平行砂轮复合变幅器提供了一种有效的设计方法。     

有负载的超声弯曲变幅杆的振动特性分析

基于传递矩阵法,介绍了负载情况下弯曲变幅杆振动分析的一般方法。作为方法的应用例,对负载情况下弯曲交幅杆的谐振频率,以及负载情况下变幅杆的放大系数进行了一些数值计算。最后验证了负载抗对变幅杆谐振频率的影响。     

非谐环盘及变幅杆组成的变幅器动力学特性研究

为了解决齿轮超声加工振动系统的设计问题,将齿轮简化为环盘,根据环盘及变幅杆的力耦合条件、边界条件及动力学方程,推导了非谐环盘及变幅杆组成的变幅器的频率方程,并利用其设计了变幅器,实验证明:变幅器的谐振频率与理论设计结果基本一致.该理论方法使变幅器由全谐振设计拓展到非谐振设计.     

带有锥形孔的复合变幅杆设计及动态分析

在超声振动拉丝加工过程中,为了实现线材的顺利拉拔,需要应用带有锥形孔的复合变幅杆。为此,本文基于等效四端网络与传输矩阵法,建立了带锥形孔圆锥变幅杆的传输矩阵,推导出带锥形孔圆锥过渡复合变幅杆的频率方程的一般公式。根据推导出的频率方程,应用区间搜索法和牛顿迭代法获取了准确的数值解,实现了该复合变幅杆的纵向振动。之后,应用有限元软件Ansys对设计出的复合变幅杆分别进行模态分析和动力学特性分析,获得了各段不同长度下复合变幅杆谐振频率、放大系数以及最大应力值的变化规律。最后,对制造出的复合变幅杆进行阻抗与振动性能测试,结果表明其频率准确,且振幅比较稳定。     

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。     

计及横向耦合的振幅变换器的计算

本文从弹性理论的普遍方程出发,用伴随法求解了轴对称变幅杆的振动模式。因为没有忽略横向耦合的影响,故用本法的计算结果不受横向尺寸的限制。作为用例,我们用本法计算了三种尺寸的指数式变幅杆的谐振频率,所得结果似比一维理论的计算结果更接近于实测。本法的另一优点是可以用来计算其他非指数型的变幅杆,例如高斯型杆、抛物线型杆等。关于本法的适用范围问题,还有待于进一步的研究。     

扭转超声振动系统中局部共振的研究

本文从扭转振动波动方程出发，推导出了具有类圆锥过渡段的复合阶梯型扭转变幅杆的频率方程解析表达式。从实验和理论上对该复合变幅杆的谐振频率随杆细端长度和直径的变化进行了测量和计算。通过对比，证明了复合振动系统中局部扭转共振现象的存在，并得到了其产生条件。     

超声变幅杆设计用表的计算机编制(Ⅰ)

本文介绍定义三个新系数——半波谐振长度系数、位移节点长度系数、应变极大点长度系数,对一般使用的超声变幅杆设计计算公式和方程作适当交换,使其只含直径比一个自变量,进而用电子计算机编制设计用表的方法和结果.第(1)部分介绍指数型、圆锥型、悬链线型和两段等长圆柱的阶梯型半波谐振空载变幅杆计算公式和方程的变换、数字计算结果概述及设计用表的使用举例.     

圆锥型复合变幅杆优化及动力学特性

针对应用传统解析法设计复合变幅杆过于繁琐的问题,提出采用简便、有效的微积法对圆锥复合变幅杆进行设计,之后通过Ansys软件对其结构进行有限元分析。此外,基于Ansys优化设计功能对变幅杆进行优化修整,对优化前后变幅杆进行阻抗分析和振动性能测试,测试结果表明优化后变幅杆振动效果更佳。最后,应用Ansys软件对变幅杆进行动力学特性分析,得到了不同直径、不同面积系数下变幅杆放大系数、最大应力值,并对仿真结果进行分析后得出了其动力学参数与大端直径及面积系数之间的关系。     

大截面超声变幅杆的近似设计理论

木文研究了大截面圆形变幅杆的设计问题,通过引进变幅杆的等效半径,利用表观弹性法理论,分析了圆锥形、指数形及悬链线形三种常用变幅杆的耦合振动,给出了适用于工程应用的近似设计及计算公式.理论计算及实验表明,利用近似理论计算设计大截面变幅杆,物理意义明显,计算简单,利用计算器便可迅速得出所需数据。与一维理论的计算结果相比,考虑径向振动后所得到的大截面变幅杆的谐振频率更接近于实际测量值,并且设计频率与测量频率之间的误差也完全满足工程上的要求.     

振动切削刀杆参数化有限元设计研究

基于振动切削刀杆的结构特点,从其动力学问题的基本方程出发,建立了三阶梯对称刀杆的参数化有限元动力学模型;利用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言APDL对其进行二次开发,编制程序绘制了阶梯刀杆尺寸对其谐振频率和夹紧间距影响的三维关系曲线,完成了三阶梯对称弯曲谐振刀杆的参数化有限元设计。对比本文有限元计算和文献1的解析计算与实验结果的差别,谐振频率和夹紧间距的计算误差分别为2.5％和3.5％,而相同的刀杆尺寸范围内解析法的计算误差分别是3％和5％。说明本文提出的方法能更好地逼近实验结果,从而为振动切削刀杆的设计提供了更加方便、准确的手段。     

声阻抗转换器的研究

描述不均匀传输线中的声反射系数可以归结为求解一种非线性微分方程（Riccati方程），本文探索一条寻找此类方程解析解的新方法，并利用此方法研究了声阻抗转换器，从而大大拓宽了声阻抗转换器阻抗分布的研究范围，作为例子，本文提出了几种阻抗变换形式，并把它们的功率传输效率与已有的均匀及指数型转换器作比较，计算结果表明：当转换器两端与传输介质的阻抗跃变很大时，某些阻抗转换器的传输效率比均匀及指数型转换器高得多．     

广义变幅器理论——有负载情况下变幅器特性研究

考虑到变幅器是有负载的,而不是自由谐振的,我们可以将现有的变幅器加以推广,并建立起广义变幅器理论。在此情况下,振幅放大不仅可以在变截面杆的截面小的一端获得,而且在等截面杆中,甚至在变截面杆大的一端发生。 这种推广将变幅比跟负载的阻抗匹配联系起来了。因此可以根据负载来选择最佳的变幅比。     

超声弯曲模式变幅杆的振动分析

介绍了用传递矩阵分析超声弯曲变幅杆的方法,推导了变幅杆的频率方程、放大系数、形状因子的表达式。作为方法的应用例,对圆锥形变幅杆进行了一些数值计算。最后进行了验证。结果表明传递矩阵法是弯曲变幅杆分析的有效方法。     

多端输出等幅振动的纵振动变换体

提出了一种一端输入多端输出等幅振动的纵振动方向变换体。变换体由输入杆、半球形过渡体和输出杆组成,通过半球形过渡体将一个输入杆与多个输出杆耦连为一体,并且多个输出杆呈立体分布,可实现一端纵振动输入多个方向上纵振动均匀输出。利用振动变换体端面的自由边界条件,以及各组件连接处的纵向位移、纵向力、横向位移和转角连续条件,推导了纵振动方向变换体的频率方程。解析计算了不同几何尺寸的纵振动变换体的谐振频率,与有限元法的计算值及实验测试值基本吻合。将纵振方向变换体的输入端与谐振频率为19.8 kHz的换能器相连,利用激光测振仪测试了纵振动变换体各输出端振型及各输出端相对于输入端的振幅放大系数,结果显示纵振动经过方向变换体成功地传输到了变换体的各输出杆的端面,且各输出端的振幅基本相等。      

基于反射与折射理论的电涡流检测探头阻抗解析模型

应用电磁波的反射与折射理论建立了多层导电结构电涡流检测探头阻抗解析模型.电涡流检测中空间电磁场可看作线圈激励场与涡流场的叠加,而涡流场是线圈激励场的反射与折射效应,因此应用线圈激励场的级数型解析解和电磁波的反射与折射理论推导了级数型探头阻抗解析解.最后,比较了推导的级数型与传统的积分型探头阻抗解析解的计算结果,并进行了实验验证.计算结果与实验结果基本吻合,表明推导的级数型探头阻抗解析解是正确的,且与积分解析解相比具有不需要确定积分上限、耗时少、计算精度容易控制等优点. 关键词： 电涡流检测 多层导电结构 反射与折射理论 探头阻抗     

纵向激发圆柱体超声频耦合振动的等效线路及其分析

本文利用表观弹性法的理论,得出了圆柱体耦合振动的一种等效线路,讨论了圆柱体耦合振动的频率方程及负载阻抗对振动频率的影响,计算了圆柱振动输入机械阻抗以及径向与纵向表观振速比随其几何尺寸变化的关系曲线.分析及计算结果表明,利用等效线路分析圆柱体的耦合振动,物理意义明显,计算简单,是分析及合理设计圆柱振动体的一种很方便的途径.     

超声手术刀声学系统设计和实验*

为兼顾阶梯型变幅杆的高放大系数以及曲线过渡变幅杆突变截面处的高疲劳强度,本文提出了一种最速曲线过渡段的超声刀换能器。首先,基于等效电路法,设计了夹心式压电换能器的基本结构。在此基础上,结合超声刀的工作条件和材料特性,对换能器基本结构进行精确设计;然后,利用FEM法和实验法获取了换能器纵振频率以及频率响应曲线,进一步证明了本文所设计换能器的有效性;最后,对所设计的换能器进行了一系列测试,结果表明：测定了无负载换能器谐振频率与输出端振幅,与设计目标、仿真结果相吻合;连接负载后凝血,切割效果良好。     

负载动态法测均匀细杆杨氏模量的理论与方法

推导了细杆作横振动时其数理方程定解问题的一般形式,求出了加载均匀细杆横振动频率关于负载位置和负载质量的严格解,并据此提出了一种动态测量均匀杆杨氏模量的方法.还用实验验证了该理论,由此测得的杨氏模量与传统弯曲法测得的结果基本一致.     

性能可调的纵向振动圆锥形超声变幅杆*

提出了一种基于压电效应的性能可调纵向振动圆锥形超声变幅杆,并对其振动性能进行了研究。该变幅杆由传统的圆锥形超声变幅杆和压电陶瓷材料组合而成。论文研究了圆锥变幅杆中压电陶瓷材料的厚度、位置以及电阻抗的改变对变幅杆性能参数的影响,并进行了数值模拟仿真及实验验证。结果表明,通过改变压电陶瓷材料的厚度、位置和电阻抗值,可以实现变幅杆共振频率和位移放大系数的改变。理论计算结果与数值模拟值和实验测试值符合得很好。