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。     

基于能量修正法进行大尺寸指数型超声变幅杆准确设计

基于能量修正法修正了大尺寸变幅杆纵振动共振频率方程，得出了其修正频率表达式，分析了大尺寸指数型变幅杆的共振频率修正值，并利用有限元软件ANSYS对一组大尺寸指数变幅杆进行了模态分析。结果表明，比起一维理论值，修正后的频率值更接近于有限元仿真分析结果，变幅杆的尺寸越大（即径长比越大）这种修正效果越明显。     

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。     

阶梯形变幅杆固有频率的实验研究

本工作测量了66个阶梯形变幅杆的固有频率,用实验找出了其固有频率随两端直径比N和径长比α的变化规律.又测量了126个圆弧过渡的阶梯形变幅杆的固有频率,用实验找出了其固有频率随参数N和R/d的变化规律.结果以曲线表示,供设计变幅杆用.根据这些实验规律设计的阶梯形变幅杆,其固有频率的误差小于1％.     

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.     

某型内转子光电雷达稳定平台的模态分析与优化

为了更好地设计某型内转子光电雷达稳定平台,运用Pro-E软件对其进行了三维实体建模,合理简化后,进入Ansys软件建立有限元模型.应用有限元理论和Ansys软件对该平台进行了模态分析,得到稳定平台前八阶模态的固有频率和振型.其中对比了不同网格、不同材料产生的不同模态,对同类分析提供了参考,也为此稳定平台的设计优化提供了...     

大尺寸矩形断面超声变幅杆固有频率的研究

超声变幅杆是功率超声技术中换能器振动系统的一个重要组成部分,本文利用表观弹性法研究了大尺寸矩形断面超声变幅杆的耦合振动,推出了常用的几种单一变幅杆(指数形,圆锥形,悬链线及阶梯形)的频率设计公式,为大尺寸矩形变幅杆的频率设计及计算提供了一种简单易行的方法,实验表明,利用本文公式设计的大尺寸矩形断面变幅杆,实测共振频率与理论计算频率基本一致,与一维振动理论的结果相比,利用耦合振动理论得出的变幅杆共振频率更加接近于测量值。     

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。     

四分之一波长喇叭式集中变幅杆构成的超声振动刀具系统

将超声波变幅杆与弯曲振动刀杆作为一个系统加以研究.通过对四分之一波长喇叭式集中变幅杆激振弯曲振动刀杆时理论分析和试验发现,该刀具系统中的变幅杆和弯曲振动刀杆虽然可以单独设计,但是应当按节点激振方式工作.     

超声变幅杆的四端网络法设计

依据四端网络的基本原理,利用力电类比的方法,给出了复合变幅杆的等效电路图;并通过电路运算,推导出圆锥过渡段和指数过渡段阶梯形复合变幅杆频率方程和放大系数的一般公式,为超声变幅杆的设计和性能分析提供了理论依据。     

Enhanced vibration performance of ultrasonic block horns

Block horns are tuned components designed to vibrate in a longitudinal mode at a low ultrasonic frequency. Reliable performance of such horns is normally associated with the amplitude of vibration, uniformity of vibration amplitude at the working surface and the avoidance of modal participation by non-tuned modes at the operating frequency. In order to maximise vibration amplitude uniformity, standard slotting configurations are included in the horn design. However, defining a slotted block geometry which guarantees sufficient tuned frequency isolation from nearby modes as well as high amplitude and amplitude uniformity, is not straightforward. This paper discusses horn configurations which satisfy these criteria and investigates the design requirements of block horns which operate as intermediate components in ultrasonic systems, where the block horn dominates the vibration behaviour of the system. The importance of mode shape characterisation is discussed and modes are classified using experimental data from 3D laser Doppler vibrometer measurements and finite element analysis. In particular, the role of additional fine slots and castellations are studied with reference to two distinct ultrasonic applications involving a similar block horn.     

大负载超声振动磨削系统的设计

设计了一种大负载超声振动磨削系统,超声系统由换能器、圆柱圆锥形变幅杆和轮辐式砂轮组成.首先将轮辐式砂轮等效成轮毂为圆柱杆、辐板与轮缘为中厚板的复合模型,利用各接触面边界连续的条件推导系统的频率方程,完成了超声磨削系统的设计,制作了实验装置并分析验证了其声学振动特性.实验结果表明:利用轮辐式砂轮复合模型求解系统频率方程,...     

高功率超声脉冲激励下金属板的非线性振动现象研究

对高功率超声脉冲作用下金属板中的超谐波、次谐波、准次谐波以及混沌等非线性振动现象进行了实验和理论研究.在实验中,高功率超声换能器产生脉冲调制的高频振动激励金属板产生非线性振动,利用激光测振技术测量不同尺寸和不同固定方式下金属板复杂的非线性振动情况,并对其进行了时序分析、频谱分析以及相空间分析.根据实验条件,提出包含非线性接触阻尼的振动-碰撞动力学模型,用以研究强超声振动-碰撞作用下的板非线性振动机制,并进行了相应的理论计算.计算结果表明,超声换能器的变幅杆与金属板之间的间歇性高频碰撞作用是金属板强非线性振 关键词： 非线性板振动 强超声脉冲激发 振动-碰撞动力学     

模式转换型超声塑焊振动系统的设计

基于弯曲振动理论和耦合振动理论,设计了一种新型大尺寸筒形超声塑焊振动系统。该振动系统由纵向振动换能器及变幅杆、弯曲振动金属圆盘和耦合振动圆筒四部分组成。换能器和变幅杆的纵向振动驱动圆盘的二次弯曲模式振动,圆盘的二次弯曲模式振动激励圆筒的纵向模式振动,实现了工具头在较高频率下谐振。实验结果表明,振动系统的测试频率与计算频率比较符合,在大信号下测试的纵-弯-纵振动模式转换效果很好。研究结果为高频大尺寸超声焊接系统的设计提供了思路。      

Investigations of the barbell ultrasonic transducer operated in the full-wave vibrational mode

In this paper, the resonance frequency equation and expression of displacement amplitude magnifications of a full-wave barber ultrasonic horn are obtained. By discussing the relationships between the displacement amplitude magnifications and the geometrical dimensions, the optimized design of the horn for the largest magnification is proposed, which is helpful to improve the radiation power and the transfer efficiency of the acoustic energy of the ultrasonic oscillatory system. Based on the optimized design of the horn, we introduced a barbell ultrasonic transducer operated in the longitudinal full-wave vibrational model and obtained the resonance frequency equations. For comparison, the resonance frequencies of the full-wave barbell horn and the full-wave barbell transducer are also analyzed by finite element method (FEM). It is shown that the values obtained by theoretical analysis and FEM are in good agreement with experimental observations. We hope that the research of this paper is helpful for the use of the barbell horn and transducer in the applications such as ultrasonic liquid processing.     

液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究

针对合金熔体等液体材料的超声处理过程,选取水作为透明模型材料,采用数值模拟计算和示踪粒子实验方法,研究了20和490 kHz两种频率超声作用下水中的声场和流场分布.结果表明,增大变幅杆半径能够提高水中声压水平,扩大空化效应的发生区域.当超声频率为20 kHz时,水中声压最大值出现在超声变幅杆下端面处,且声压沿传播距离的增大而显著减小.如果超声频率增加至490 kHz,水中的声压级相比于20 kHz时明显提高,且声压沿着超声传播方向呈现出周期性振荡特征.两种频率超声作用下水中的流场呈现相似的分布特征,且平均流速均随着变幅杆半径增大表现出先升高后降低的趋势.变幅杆半径相同时,20 kHz频率超声作用下水中的平均流速高于490 kHz频率超声.采用示踪粒子图像测速技术实时观察和测定了水中的流速分布,发现其与计算结果基本一致.     

超声辅助磨削杯形砂轮变幅器设计与试验*

超声辅助磨削在硬脆材料的加工中应用广泛。为研制以杯形砂轮为加工工具的超声辅助磨削主轴附件式工具系统,建立了杯形砂轮变幅器的理论模型,推导了其频率方程,并通过Matlab开发了杯形砂轮变幅器设计软件。利用该软件结合有限元分析对杯形砂轮变幅器进行了设计。将研制的杯形砂轮变幅器与BT40刀柄一体化外套筒、导电滑环装配组成了杯形砂轮超声辅助磨削主轴附件式工具系统。对该超声振动系统进行了阻抗分析试验及超声谐振试验,结果表明,该超声振动系统阻抗性能较好,能够使杯形砂轮产生稳定的超声振动,验证了所提出的设计方法的正确性,为主轴附件式超声磨削装置的设计提供了理论参考。     

The complex-mode vibration of ultrasonic vibration systems

The longitudinal-flexural and torsional-flexural vibrations are studied for the ultrasonic solid horn and the ultrasonic vibration system comprised of a sandwich transducer and a solid horn. The discussed solid horn is of arbitrary non-uniform cross-section. The analysis on flexural-mode vibration is based on Timoshenko theory. The theoretical results are verified by experiment.