两级阶梯形变幅杆设计及优化

基于ANSYS workbench多目标驱动优化模块对两级阶梯形变幅杆进行优化设计。基于解析法设计两级阶梯形变幅杆,建立参数化变幅杆模型;在静力学分析基础上对变幅杆进行模态、谐响应分析。通过52个设计点仿真分析获得谐振频率、放大系数、最大应力与变幅杆结构尺寸关系,并优化变幅杆尺寸。研究表明,变幅杆谐振频率小于理论设计频率,振幅放大系数小于理论值,超声能量损耗较大。优化所得变幅杆的谐振频率接近理论设计频率,提高放大系数。为大功率、大振幅的超声变幅杆优化设计提供新的设计、优化思路。     

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。     

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。     

单点渐进成形工艺参数对正五边锥形件壁厚的影响

目的 利用数值模拟方法研究单点渐进成形工艺参数对制件成形区最小壁厚的影响规律,得出最优工艺参数组合,提高制件的成形质量。方法 在对2024铝合金正五边锥形件建立有模单点渐进成形数值仿真模型的基础上,对进给率、层间距、成形工具头直径和摩擦因数对制件成形区最小壁厚的影响进行单因素和正交试验分析,并通过物理试验对仿真优化后的工艺参数组合进行验证。结果 正五边锥形件单点渐进成形加工过程中,最小壁厚与进给率、层间距成反比,与成形工具头直径成正比,而摩擦因数对最小壁厚的影响较小;各工艺参数对最小壁厚的影响程度为进给率＞层间距＞成形工具头直径＞摩擦因数;最佳工艺参数为成形头直径9 mm、进给率200 mm/min、加工层间距0.2 mm和摩擦因数0.1。结论 通过有限元仿真得出了单点渐进有模成形工艺对制件最小壁厚的影响规律,通过正交试验分析得出了正五边锥形件单点渐进有模成形最佳工艺参数组合,利用该参数组合可以得到壁厚较为均匀的正五边锥形件。     

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。     

强度超声对斑马鱼胚胎发育的影响

超声波的生物学效应一直深受人们关注,低强度超声对细胞的作用机理也不断地被人们所了解。为了研究超声对斑马鱼胚胎发育的影响,通过声学共振理论以及有限元仿真得到圆球形细胞及椭球形细胞的共振频率,并设计了一种低强度超声装置对斑马鱼胚胎进行刺激。通过正交试验设计研究了超声刺激频率、刺激时间和信号激励电压对鱼卵孵化指数的影响,实验结果表明：在频率为1.26 MHz,刺激时间为30 min,信号激励电压为3 Vpp条件下鱼卵孵化指数明显高于对照组,且最佳刺激频率与仿真计算的结果基本一致。由此可见,本研究前期的理论推导及仿真计算结果可信,也证明了适当条件的超声刺激可以加速斑马鱼胚胎细胞的生长。     

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。     

一种具有多工具头的超声换能振动系统

研究了一种新的超声波振动打孔系统.该系统由超声换能器、变幅杆、弯曲振动棒以及多工具头组成.与传统的单工具头超声波打孔装置相比.多工具头打孔装置具有工作效率高、换能器发热小等优点.文中给出了振动系统各部分的频率设计公式以及整体共振频率的计算公式.实验表明,振动系统各部分共振频率的设计值与测量值基本符合.多工具头超声振动系统的实用工作性能比较理想.     

纵-弯复合系统的振动特性研究

本文对一种常用的纵－弯复合振动系统进行了研究，该系统由一个弯曲振动工具头及一个纵振动驱动系统组成，文中对复合振动系统的振动特性进行了理论及实验研究，推出了系统的共振及反共振频率方程，还导出了复合振动系统的机械输入阻抗，并对系统的共振频率随长度的变化规律进行了探讨，实验表明，复合振动系统共振频率的测试值与计算值符合较好，系统的共振频率随振动系统几何尺寸的变化而变化，并且，弯曲振动系统的尺寸变化对频率     

旋转超声加工振动系统的研究

本文利用振动理论进行旋转超声振动系统的结构设计,可以获得振动系统的放大系数,应力分布和速度分布等重要参数。并把ANSYS有限元分析软件应用于简单的阶梯形变幅杆进行模态分析,得到共振频率19575HZ,设计误差仅为2.12%,证明其有限元方法能够满足旋转振动系统的工程设计要求,从而提高其设计的效率和可靠性。     

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。     

Ka波段宽带TE01d-TE10W多孔定向耦合器的设计

利用小孔耦合理论,设计了一种应用于Ka波段回旋放大管输出功率和频谱测量的TEd01-TEW10多孔阵列定向耦合器。根据正向叠加和反向相消原则确定圆波导半径及相邻耦合孔间距,用MATLAB编写程序对耦合度及定向性随耦合器尺寸相关参数的变化做了数值分析。数值计算表明:增加耦合孔数目、扩大孔半径及减小孔厚度均可提高耦合度,而耦合孔数目的增加在工作频带内还可提高定向性。给出了16孔定向耦合器尺寸优化设计参数,并利用CST电磁软件对其进行了仿真验证,仿真结果与数值模拟近似一致,其耦合度为-35±0.9 dB,定向性高于24 dB,带宽高达6 GHz。冷测实验表明所设计定向耦合器满足设计要求。     

用于声化学的复合换能器的研究

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成。采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器。当复合振动系统振动模式的共振频率与纵向换能器的共振频率以及正六边形薄板弯曲振动的共振频率一致时,复合振动系统具有较高的有效机电耦和系数,系统声辐射能力较强;频率的理论与测量值的误差可能是设计纵向换能器时未考虑预应力螺栓、前后盖板的形状以及横向振动的影响,材料参数的取值与实际值有误差。弯曲振动的正六边形薄板的几何尺寸大,将会增大复合振动系统声波的辐射面积,因此可以改善局部空化腐蚀问题,并且可以提高槽内声场的均匀性,从而可以提高声化学产率;实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合。     

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。     

微超声振动细胞切割系统中变幅杆的分析与设计

针对细胞微超声振动切割系统对超声变幅杆的要求,将等截面圆柱形阶梯变幅杆的一端替换成圆锥形变幅杆构成一种复合圆锥阶梯形变幅杆。由任意变截面杆纵向振动的波动方程出发,推导了复合圆锥阶梯形变幅杆的基本理论参量,设计了超声变幅杆的基本结构,给出其制造尺寸。并应用有限元法对变幅杆进行了模态分析,得到了共振频率和位移节点等重要参数。     

锥盘形超声聚能器的耦合振动特性与优化设计

超声聚能器具有放大振幅、匹配声阻抗、提高声能量传输效率的作用,盘形聚能器与压电圆管组合能够扩大声能量的辐射范围。采用传统的一维理论对盘形聚能器振动的分析,往往忽略了高度对振动的影响。为了获得符合盘形聚能器实际振动的解析理论,以结构简单且易加工的锥盘形超声聚能器为研究对象,利用等效弹性法分析了高度与半径尺寸接近的聚能器的径、纵向耦合振动。通过引入机械耦合系数,推导得到了聚能器耦合振动的机电等效电路、共振频率方程组和径向位移放大倍数。进一步分析了聚能器机械耦合系数、共振频率和径向位移放大倍数与几何尺寸的依赖关系。利用有限元法对聚能器的耦合振动模态进行了仿真,理论计算与模拟结果一致,验证了理论推导的正确性。振动特性与优化结论的获得为盘形聚能器的工程应用提供了理论依据,为径向复合换能器的振动分析奠定了研究基础。     

一种锥形定位节面变幅杆结构优化设计研究

为提高变幅杆的振动传递及振幅输出特性,基于解析法设计了具有锥形定位节面结构的旋转超声加工变幅杆,通过预应力模态分析与谐响应分析进行了优化设计;通过响应面优化方法建立27个优化设计点,分别以放大系数最大化、最大等效应力最小化与谐振频率最接近理论设计频率为第一、第二与第三优化目标,并提出一种5阶模态频响曲面验证方法,通过(2~6)阶5个模态频响曲面分析结果对优化设计点的最优优化解进行验证。研究表明,基于该研究提出的方法,结构优化设计后的变幅杆能够提高放大系数,降低最大等效应力,并使谐振频率接近理论设计频率,提高超声加工的能量利用率。对旋转超声加工装备的性能研究与开发具有一定的指导意义。     

气介式功率超声复合换能器的声辐射特性研究

本文对气介式功率超声复合换能器的辐射声场进行了理论计算并与实验结果进行了对比。该复合换能器由夹心式纵向振动半波长换能器及弯曲振动的薄圆盘组成。从理论上推出了弯曲振动辐射圆盘在不同边界条件下的辐射声场分布及其共振频率方程。理论分析结果表明,固定边界弯曲振动圆盘辐射声场的指向性最佳,并且指向性的理论计算结果与实验结果符合很好。     

阶梯型径向振动环形变幅器的振动特性

文中首先对各向同性弹性薄圆环的径向振动进行了研究,得出了其等效电路。在此基础上,对由双金属圆环组成的阶梯型径向振动变幅器进行了探讨,推出了其径向振动的复合等效电路及其共振频率方程。分析了此类径向振动变幅器的共振频率及径向位移振幅放大系数与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法,对变幅器的径向振动特性进行了数值模拟,结果表明,数值结果与解析结果符合很好。     

微穿孔管共振频率预测方法研究

微穿孔管具有良好的宽带消声效果,但随着结构参数的微小变化,共振频率将发生较大的偏移。该文基于Python多元线性回归算法可以对数据并行处理,速度快能够同时处理数值型和分类型特征等优点,搭建微穿孔管共振频率预测模型,采用三维建模软件绘制多种不同结构的穿孔管模型,然后利用Comsol声学仿真软件计算穿孔管共振频率,收集穿孔率、穿孔深度、背腔深度与共振频率的数值对应关系。在Jupyter notebook开发平台,运用Numpy、Pandas数据预处理框架,Sklearn数据分析模块等工具来搭建穿孔管共振频率的线性回归预测模型,可以直接呈现出结构参数对微穿孔管共振频率的影响。最后,基于预估模型设计一种模块化穿孔管串并联耦合的消声器结构,具有连续宽带消声效果,在微穿孔管消声器的设计优化方面具有一定的工程应用前景。