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。     

一种圆锥形变幅杆弯曲振动固有频率的计算方法

提出了一种圆锥形变幅杆弯曲振动固有频率的计算方法。先忽略剪切变形和惯性矩作用,基于Euler-Bernoulli杆理论求解出固有频率初值,再计入二者的作用进行弯曲振动固有频率的修正。应用有限元分析法和模态实验测试对该方法进行了验证,理论结果与实验结果相吻合,误差在5%以内。基于该方法编写了程序,实现了弯曲振动变幅杆结构的主动设计。     

超声弯曲振动变幅杆的特性

根据文献 [1]提出的弯曲振动变幅杆的分析方法 ,通过大量数值计算 ,对圆截面指数形、锥形和悬链线形变幅杆弯曲振动的特性进行了研究。研究结果表明 ,变幅杆弯曲振动的频率随其长度增加而降低 ,随其直径增大而升高 ;进一步研究表明 ,尽管变幅杆谐振频率与其直径大小有关 ,但只要变幅杆两端直径比值一定 ,则其谐振频率与尺寸参数间存在一定关系 ,本文用谐振曲线描述了这一关系 ,谐振曲线对变幅杆设计以及复合振动的研究是一个非常重要的工具。最后对几种变幅杆的放大能力进行了比较 ,按从大到小的顺序依次是 :悬链线形、指数形和锥形     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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     

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。     

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。     

单台阶同心圆盘辐射声场的指向性计算

作为向空气中辐射的声辐射器,弯振阶梯薄盘或矩形板在工业上有很多应用。由于计算的复杂性,以前的文献对阶梯圆盘的声场指向性未作研究。利用点声源组合的方法（Rayleigh积分）,计算了边界自由的弯振阶梯圆盘辐射声场的指向性,与弯曲振动的圆盘相比,阶梯圆盘的声场指向性得到了明显改善,理论计算结果与Gallego的实际测试图案相吻合。计算为这类辐射器的高效应用、优化设计提供了理论依据。     

ANSYS辅助楔形超声波聚能器的优化设计和实验研究

使用有限元分析方法,设计了一种楔形超声波聚能器。通过对其进行模态分析和谐响应分析,优化聚能器的结构,保证所设计的聚能器能具有较纯的纵振模式、辐射面振幅分布均匀。为了验证有限元分析结果,在水介质中进行了相关的空化腐蚀实验。实验证明,聚能器工作时,辐射面振幅分布均匀性较好,侧面无明显横振。     

Piezoelectric ceramic rectangular transducers in flexural vibration

Based on the equivalent elastic method and coupled vibration theory, an analytic method is presented to study the flexural vibration of rectangular transducers consisting of piezoelectric ceramic thin plates. By introducing a mechanical coupling coefficient, the flexural vibration of the piezoelectric ceramic rectangular thin plate is reduced to two simple, one-dimensional flexural vibrations of narrow piezoelectric ceramic strips. The resonance frequency equations for the piezoelectric ceramic rectangular thin-plate transducers in flexural vibration are derived under the free and simply supported boundary conditions analytically. The relationship between the resonance frequency and the flexural vibrational order, the geometrical shape, and the dimensions of the piezoelectric ceramic rectangular thin-plate transducer is analyzed. It is demonstrated that the one-dimensional vibrational theory for the flexural vibration of a narrow piezoelectric ceramic strip and the stripe-mode flexural vibrational theory for the piezoelectric ceramic rectangular thin plate can be derived directly from the theory obtained in this paper. Experimental results show that the measured resonance frequencies of the piezoelectric ceramic rectangular thin-plate transducers in flexural vibration under free-boundary conditions are in good agreement with the calculated results. The method presented in this paper can be used in the resonance frequency analysis of vibrating systems in coupled vibration.     

电磁喇叭分段线性振动响应及其声学特性的研究

根据电磁喇叭结构特征建立了其工作过程中时变电磁力激励条件下动铁心与膜片构成的分段线性振子动力学模型,应用数值积分方法分析了电磁喇叭振动响应特性。进而根据所得到的稳态振动幅值与频率结果仿真分析了电磁喇叭的声学特性,研究了触头初始压力及间隙参数对振动幅值、频率、声压级的影响规律,所得的结论可直接用于以电磁喇叭为代表的电声器件优化设计。