三维振动里兹法在变幅杆谐振特性分析中的应用研究

针对变幅杆振动分析的一维振动求解理论和齿轮超声加工研究现状,提出基于三维弹性动力学方程,利用能量变分原理,采用里兹法求解特征值的方法,统一了圆锥、圆截面指数形和悬链形变幅杆的扭转、纵向、弯曲振动的固有频率和振型求解方法;计算了不同直径比、长径比变幅杆的四位有效数字无量纲固有圆频率。设计加工了大、中、小截面指数形变幅杆,并利用锤击激励法做了模态实验。对其一维欧拉-伯努利、三维振动里兹数值法、有限单元法、实验模态法进行对比分析,结果表明：三维振动里兹数值法求解结果比一维振动求解理论准确,可以作为其他数值求解方法的验证标准;为其他非均匀截面变幅杆的振动特性分析提供了一种新的求解方法。     

内柱孔和内锥孔圆柱形变幅杆

激光和水射流是对陶瓷等易碎材料进行辅助打孔的传统方法,其设备存在大而复杂等缺点。加工陶瓷等易碎材料时,利用超声振动的带孔变幅杆的设备比起传统的利用激光和水射流的的设备更简易和小型化,因此,超声加工受到了人们的重视。文章对中心孔分别为柱形和锥形、外形为圆柱形的超声杆件,基于解析法推导了这两种孔型变幅杆的频率方程及性能参数表达式,分析了不同参量对其性能参数的影响,并利用有限元法计算了在谐振状态下这两种变幅杆的应力及振动位移沿轴向分布的规律。结果表明,在相同谐振频率及面积系数下,带孔变幅杆的放大系数大于实心圆柱杆的放大系数;锥形孔变幅杆的放大系数小于柱形孔变幅杆的放大系数,但前者应力曲线光滑且应力极大值较小。     

玻璃振动模压中变幅杆高温模态分析及实验研究

为研究应用于光学元件的超声振动模压中变幅杆的高温振动特性,基于纵振波动方程设计所需频率的超声变幅杆,利用Creo软件建立其参数化模型。考虑变幅杆高温下的材料特性变化,结合实验所得数据对高温下的变幅杆进行模态分析,得到其在高温下的谐振频率。分析研究表明,变幅杆谐振频率随着温度的升高而降低。为提升变幅杆高温的下频率稳定性,通过有限元软件对其进行了结构优化设计。按照优化后的尺寸加工出变幅杆,通过实验检测其谐振频率,结果表明,在高温下优化后变幅杆的谐振频率仍稳定在设定频率附近。     

杯形工具复合变幅杆设计及振动特性分析

针对硬脆材料曲面加工过程中加工精度差、效率低、加工费用高的问题,结合理论分析与有限元法,设计了一种适用于硬脆材料曲面高精度加工的超声杯形工具复合变幅杆。对所设计的变幅杆进行了阻抗特性分析和振动性能测试,结果显示变幅杆结构合理、振动效果良好;并通过有限元与试验的对比分析,探究杯形头的壁高、底厚、内径对杯形工具复合变幅杆谐振频率的影响。结果表明:变幅杆谐振频率随着底厚的增加而增大,随着杯形头壁高、内径的增大而减小,且实测结果与仿真分析较好符合。     

粗细端截面比对阶梯形变幅杆谐振频率的影响

文章研究了粗细端截面比对阶梯形变幅杆谐振频率的影响．通过对粗细端等长和不等长阶梯形变幅杆谐振频率的测量，找出了两组变幅杆谐振频率的降低系数β随粗细端面积比N^2的时数lnN^2的变化规律，分析了不同阶数振动的频率变化特点，为阶梯形变幅杆的研究和具体设计提供了一定依据。     

纵弯转换超声振动雾化系统的振动特性与设计研究

提出了由纵向振动系统与弯曲振动圆盘组成的纵弯转换超声振动雾化系统的新型结构。通过理论分析和有限元分析,揭示了由换能器、变幅杆与工具组成的振动系统的各种谐振状态特性, 研究了系统的谐振设计方法。分析表明：新型雾化振动系统工作于负载谐振模式,其谐振频率主要取决于纵振动系统的结构,弯曲振动薄圆盘相当于系统的负载。当弯曲振动圆盘谐振频率与系统的谐振频率越接近时,系统的输出振幅越大。通过实验证明了理论研究正确性。     

阶梯形变幅杆的频率特性分析

计算了圆柱截面阶梯形变幅杆的一阶到六阶纵振动模式的谐振频率,较系统地分析研究了带与不带过渡段的阶梯杆之谐振频率随其粗细段长度比和直径比的变化规律,得到了一些新结果。用两种方法计算谐振频率:一种是求解一维近似解析频率方程,计算程序用MATLAB编制。另一种是用有限元仿真数值计算,利用ANSYS软件,且适合对于任意材料和几何参数的圆截面阶梯杆的任意阶谐振频率的计算。有限元计算与一维近似理论计算得到的频率的变化趋势基本一致。所给频率变化趋势对于变幅杆的设计和加工都能提供参考。在相当大的阶梯杆几何参数空间内,一阶谐振频率随变幅杆粗段与过渡段长度而相应减小。对于实测频率比所期望值高的变幅杆进行频率调整时可以利用上述性质。     

A2弯曲振动变幅杆的设计

按照一般的变幅杆设计理论，超声弯曲振动变幅杆的设计将会非常复杂，为满足工程上的需要，我们在本文中给出一种简单的近似有效的弯曲振动变幅杆的设计方法，并以纯弯曲理论来分析其放大倍数，在考虑了转动惯性及剪切形变的影响后，还阐述了更精确的设计理论，通过实验发现实测的变幅杆谐振频率很接近于理论设计值     

超声变幅杆与杯型工具一体化设计

基于细长杆纵振理论和薄圆盘振动理论,针对超声变幅杆与杯型工具开展一体化设计研究。通过分析各段的振动模态,将超声变幅杆和杯型工具的振动分为"纵-弯-纵"三个部分,分别建立三段位移和应力函数及边界条件,推导得出超声变幅杆和杯型工具的总体频率方程。根据得到的总体频率方程,设计出典型的超声变幅杆和杯型工具。对所设计的超声变幅杆和杯型工具的振动性能进行有限元分析和试验测试,分析和试验结果表明,超声变幅杆和杯型工具谐振频率的设计结果和有限元分析及测试结果的误差均在10%以内,验证了所建立的超声变幅杆和杯型工具的频率方程的正确性,并分析了各段长度和半径对超声变幅杆和杯型工具谐振频率的影响规律,为其谐振频率的修正提供了依据。     

A2 弯曲振动变幅杆的设计

按照一般的变幅杆设计理论，超声弯曲振动变幅杆的设计将会非常复杂，为满足工程上的需要，我们在本文中给出一种简单的近似有效的弯曲振动变幅杆的设计方法，并以弯曲理论来分析其放大倍数，在考虑了转动及剪切形变的影响后，还阐述了更精确的设计理论，通过实验发现实测的变幅杆谐振频率很接近于理论设计值。     

阻性负载超声变幅杆振动特性研究

在纵振型变幅杆等效电路的基础上,研究了三类负载超声变幅杆的共振频率与放大系数。得到了阻性负载时,变幅杆频率方程与放大系数的计算式;分别绘制了共振频率及放大系数随负载变化的曲线图,并给出了分析。这将有助于超声变幅杆的研究和设计。     

抛物线型超声变幅杆的探讨

提出了一种新型的变幅杆-抛物线型变幅杆。根据变截面杆纵向振动的波动方程,推导出抛物线型变幅杆的频率方程、节点位置方程、放大系数、形状因数等参数,并用有限元软件ANSYS分析了几个半波长抛物线型变幅杆,得出共振频率。结果表明:抛物线型变幅杆在保持圆锥变幅杆形状因数较大的优点上,放大系数有所提高;有限元分析结果与理论值符合的较好。     

High-frequency, silicon-based ultrasonic nozzles using multiple Fourier horns

This paper presents the design, simulation, and characterization of microfabricated 0.5 MHz, silicon-based, ultrasonic nozzles. Each nozzle is made of a piezoelectric drive section and a silicon resonator consisting of multiple Fourier horns, each with half wavelength design and twice amplitude magnification. Results of finite element three-dimensional (3-D) simulation using a commercial program predicted existence of one resonant frequency of pure longitudinal vibration. Both impedance analysis and measurement of longitudinal vibration confirmed the simulation results with one pure longitudinal vibration mode at the resonant frequency in excellent agreement with the design value. Furthermore, at the resonant frequency, the measured longitudinal vibration amplitude at the nozzle tip increases as the number of Fourier horns (n) increases in good agreement with the theoretical values of 2(n). Using this design, very high vibration amplitude gain at the nozzle tip can be achieved with no reduction in the tip cross-sectional area for contact of liquid to be atomized. Therefore, the required electric drive power should be drastically reduced, decreasing the likelihood of transducer failure in ultrasonic atomization.     

长条形超声塑料焊接焊头的简明设计

焊头是超声塑料焊接设备中一个很重要的部件,其设计的好坏直接关系到焊接质量。将长条形焊头通过合理开槽划分为若干相等的单元．每个单元可作为复合阶梯形变幅杆来处理,用传递矩阵法得出了焊头单元的频率方程,为长条形开槽焊头的设计提供了理论依据。实验表明,利用该方程设计的长条形焊头,其实测频率与设计频率符合很好。本设计方法物理意义明显,计算简单,非常适合工程设计。此外利用该方法可方便的求出开槽数、槽宽度以及槽长度等因素对焊头尺寸的影响,也为焊头的优化设计提供了一定的理论依据。     

矩形横截面耦合振动复合变幅杆的设计

本文研究由一部分变截面杆和一部分定截面杆构成的大尺寸矩形横截面复合变幅杆。文章中引进了变幅杆各轴向的等效弹性常数，并推出了具体表达式，利用表观弹性法探讨了大尺寸矩形变幅杆的耦合振动，得出了变幅杆的共振条件，即频率方程。实验表明，与一维理论的计算结果相比，利用耦合振动理论得出的变幅杆的共振频率更加接近于实测值。     

大尺寸立方体开槽超声塑料焊接工具头的优化设计

谐振频率、频率间隔性、振幅均匀度是大尺寸超声塑料焊接工具头设计中的几个主要指标。基于工程实际,以工具头纵向长度、槽宽度及槽长度为设计变量,纵向谐振频率和频率间隔值为状态变量,振幅均匀度为目标函数,利用有限元软件ANSYS的参数化分析技术,对大尺寸立方体超声塑焊开槽工具头进行了优化设计。结果表明,该优化方法能很好地解决大尺寸超声塑焊工具头的设计问题,既提高了设计效率,也降低了设计成本。