纵—扭复合振动模式超声变幅杆研究

本文对窄端带有均匀截面直棒的指数型纵-扭复合振动模式超声变幅杆进行了理论及实验研究,推出了该复合模式变幅杆纵向振动及扭转振动的共振频率方程。为了克服同一变幅杆纵向与扭转振动很难实现同频共振的问题,提出了一种通过改变指数型变幅杆的截面变化规律而实现改变纵向及扭转振动传播速度的方法。通过合理选择指数变幅杆的截面半径减缩系数(即参数β),实现了纵-扭复合变幅杆纵向振动与扭转振动的同频共振。实测结果表明,共振频率的理论值与测试值基本一致,变幅杆纵向及扭转振动共振频率的测试值也比较符合。该变幅杆具有比较高的位移放大系数。可望应用于超声加工、超声疲劳实验及超声焊接等功率超声技术中。     

抗性负载超声复合变幅杆振动特性研究

在抗性负载情况下,利用纵振型变幅杆等效四端网络,对频率方程和放大系数进行了研究,并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;并通过MATLAB编程,分别绘制了共振频率及放大系数随负载变化的曲线图。这将对超声复合变幅杆的设计和应用提供一定的理论依据。     

一种适用于声化学的新型复合超声变幅杆

提出一种新型复合超声变幅杆,该变幅杆总长为一个波长,由五段组成,其中三段为等截面圆柱杆,两段为变截面圆柱杆。给出了该类复合变幅杆的设计方法,并计算了两个实例。结果表明,和普通使用的半波长复合变幅杆相比,该类复合变幅杆具有在不减少甚至增大辐射面积的情况下放大振幅的特点,这对提高整个超声系统的辐射声功率和辐射效率具有积极意义。此类复合变幅杆特别适合在声化学等超声液体处理领域使用。     

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。     

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。     

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。     

新型齿轮超声加工纵向振动系统的设计

在传统的齿轮纵向振动系统中,齿轮与变幅杆耦合处振幅较小,导致齿轮端面输出振幅偏小,满足不了齿轮超声加工的要求.基于非谐振设计理论和全谐设计理论,设计了一种新型齿轮纵向振动系统,该振动系统由齿轮与圆柱杆耦合振动单元、换能器、半波长圆锥形变幅杆组成,齿轮与变幅杆耦合处振幅较大,增大了齿轮端面的输出振幅.圆锥变幅杆形状参数固定时,齿轮分度圆直径和圆柱杆直径对齿轮端面的输出振幅没有影响,减小圆锥变幅杆小端直径可以增大齿轮端面的输出振幅.通过有限元分析和谐振特性实验验证这种新设计方法的可行性.研究结果为齿轮振动系统提供了一种新的设计方法,对齿轮超声加工工艺的工程应用具有重要意义.     

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。     

大尺寸矩形截面幂函数复合变幅杆的研究

利用传输矩阵法,计算得到了幂函数复合变幅杆一维纵振动的频率方程,并在此基础上运用表观弹性法分析了大尺寸矩形截面幂函数复合变幅杆,得到了考虑横向耦合振动后的谐振频率方程,最后利用有限元软件ANSYS对三组变幅杆进行了模态分析。结果表明：变幅杆谐振频率的计算值与模拟值符合得很好,与一维理论相比,考虑横向耦合振动的二维理论具有更高的精确度。     

考虑负载影响的阶梯形超声变幅杆动力特性

考虑与加工工件表面高频重复撞击对结构动力特性的影响,基于瞬态波传播理论,研究周期激励下阶梯形超声变幅杆重复撞击加工工件的瞬态动力响应,及负载对变幅杆放大特性的影响。首先,建立阶梯形变幅杆力学模型,采用瞬态波响应法分别对接触过程和分离过程动力控制方程进行求解,得到适用于任意级数的阶梯形变幅杆的特征项传递函数,和重复撞击系统的瞬态响应理论解。以工程中常用的三级阶梯形变幅杆为算例,分析了不同外载频率下变幅杆重复撞击动力特性和负载工件对变幅杆聚能效果的影响,得出考虑加工件撞击产生的瞬态响应下的变幅杆放大系数,小于自由振动空载的设计值。可为精细超声加工变幅杆的设计提供更为精确的理论依据     

旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。     

超声珩齿圆锥形变幅器动力学特性

为获取非谐振单元超声珩齿变幅器动力学特性,根据Mindlin理论及建立的变幅杆和中厚圆环板的力耦合条件,推导了变幅器的频率方程和位移振幅方程,利用MATLAB软件求出了变幅器设计参数和位移振幅的数值解。有限元分析及动力学实验得到的谐振频率和位移振幅与数值解一致。     

余弦形负载超声变幅杆输入阻抗特性的研究

研究余弦形负载超声变幅杆输入阻抗特性。求解了加负载时四种超声变幅杆的输入阻抗,得到加负载时输入阻抗和M"obius变换参数的统一算式。当变幅杆的输入抗分量为零时,计算了余弦形负载变幅杆的纵向振动共振频率方程和放大系数。由输入阻抗的表达式讨论了此类变幅杆的工作稳定性条件和相对阻抗相等点,对余弦形变幅杆的实际应用有一定的参考意义。     

齿轮超声加工大振幅纵弯谐振变幅器的设计

为了使纵弯谐振变幅器的输出振幅满足齿轮超声加工的要求,设计了一个带有级联变幅杆的变幅器.利用Mindlin中厚板理论,根据变幅杆各段的力和位移耦合条件、变幅杆与齿轮的力和位移耦合条件、边界条件,推导出变幅器的频率方程和位移方程,实现了变幅器的设计,并求得变幅器的振幅分布曲线.通过理论求解、有限元软件ANSYS进行模态分析和谐响应分析、变幅器谐振特性试验分析变幅器的动力学特性,得出三者的结果一致,齿轮分度圆处的振幅为12μm,较常用的变幅器有了较大的提高,满足了齿轮超声加工的需求.     

Novel method for driving the ultrasonic motor

This paper reports a novel driving method for an annular plate-type ultrasonic motor. Instead of the direct current/alternating current (DC/AC) converter type driver using a conventional electromagnetic transformer, a compact disc-type piezoelectric transformer is used to obtain a high voltage output for driving the ultrasonic motor. The piezoelectric transformer is operated in the radial vibration mode at resonance frequency close to the resonance frequency of the ultrasonic motor. Later, it was found that the piezoelectric transformer could drive the ultrasonic motor, even if their resonance frequencies are not exactly the same by incorporating a matching network in the circuit. The maximum speed of the ultrasonic motor obtained by using this driving method is over 300 rpm. It is believed that the results of this study will have impact on the integration and miniaturization of the ultrasonic motor and its driving circuit.     

键合压力对超声换能系统非线性混沌特性的影响

利用基于关联维数的相位随机化的替代数据算法,对不同键合压力下超声换能系统中换能杆末端轴向振动的实测数据进行正确替代,并用非线性动力学的理论来检验其是否具有非线性。通过实验对所测振动时间序列的关联维数进行计算,结果表明在实际键合过程中,不同键合压力下变幅杆末端轴向振动都具有非线性成分。这有利于更好地认识超声引线键合换能系统,并为进一步利用非线性时间序列分析方法研究引线键合过程中的复杂振动提供了深入分析的科学手段。     

余弦型和类余弦型超声变幅杆的研究

本文导出余弦型纵振变幅杆和扭振类余弦型变幅杆的频率方程及参数的计算式和曲线，对简单型杆及由其与圆柱型段和双曲正割型段组成的复合杆件进行谐振频率和放大系数测试，实验结果与理论值基本吻合。     

大尺寸余弦形超声变幅杆的设计

通过瑞利的近似理论假设,对大尺寸的余弦形变幅杆的纵向振动的共振频率进行了修正,得到了修正频率表达式。利用有限元软件ANSYS对一组大尺寸的余弦变幅杆进行模态分析。并发现当R1/L〉0.5时,振动时伴随有弯曲振动或扭转振动,振动较为复杂,此时瑞利理论不再适用。但需要指出的是,与一维理论相比,修正后的值适用范围更大,因此对大尺寸的余弦形超声变幅杆的工程计算具有一定的指导意义。