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。     

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。     

扭转振动超声变幅杆计算及其等效电路

在平面波近似条件下,对几种常用的扭转振动半坡变幅杆(截面极惯性矩变化规律为圆锥、指数及悬链线型)进行了系统的理论分析。导出了变幅杆的等效电路,得出了变幅杆的输入机械阻抗、共振频率方程及振幅放大倍数的数学表达式。文中理论分析及所得结果可作为设计或计算扭转变幅杆的理论基础和依据。     

超声变幅杆节点优化设计

介绍了利用ANSYS有限元软件优化设计变幅杆节点位置及确定超声变幅杆固定位置的方法,并与传统的方法进行了比较。     

用二维等效电路模型研究大截面圆柱变幅杆的振动

由振动方程的近似解得到了具有大尺寸比的圆柱变幅杆的二维等效电路,用于带外载或不带外载的圆柱轴对称振动分析,以及尺寸比变化引起的频率变化评价。与有限元及一维模型进行了对比。发现该模型计算频率比一维模型更准确,与有限元模态分析相一致。进而由此确定了这些频率所对应的振动模态。计算发现轴向和周向水负载对应的圆柱振动频率接近,可用于超声变幅杆的优化。     

超声变幅杆解析法设计的可靠性研究

本文提出了用有限元法验证变幅杆解析法设计的可靠性，对三种类型的变幅杆先作解析法设计；然后利用有限元分析软件ANSYS进行模态分析，确定了变幅杆的固有频率，计算了固有频率与工作频率之间的相对误差，以此来评价解析法设计的可靠性；并分析了影响解析法设计可靠性的两个基本因素。     

带工具头超声变幅杆节点定位偏差问题分析

节点位置是变幅杆设计的关键参数,该位置通常用来设置法兰盘,从而实现变幅杆与其他机构的有效连接。传统解析法通常将变幅杆轴线上位移为零的点作为节点,但在试验中发现,用解析法确定的节点位置往往存在较大的振动位移。在解析法的基础上对带工具头变幅杆进行设计,并借助于有限元软件对变幅杆进行分析研究,研究表明带工具头变幅杆的节点位置存在定位偏差,轮廓线与轴线上节点位置不重合,对频率为35kHz 的变幅杆而言,其轮廓线上节点向变幅杆小端偏移1.5mm。试验现象表明,相对轴线节点,在轮廓上的节点位置来设置法兰盘可降低系统能量耗散,提高系统稳定性。     

一端带有圆柱杆的复合纵振超声变幅杆的简明设计理论

对一端带有圆柱杆的各种复合型纵振超声变幅杆，用“替代法”（在变幅杆的两端面处，利用机械阻抗相等的办法），求出其谐振频率方程，使设计简单化。为便于应用，本文求出了此种类型的多种复合型变幅杆的谐振频率方程。     

余弦型扭转振动超声变幅杆的研究

从波动方程出发,对余弦型变幅杆的扭转振动进行了系统探讨。利用传统方法,推导出了"余弦型变幅杆"扭转振动的频率方程和各特性参数表达式,为余弦型扭转振动变幅杆的设计提供了一定的理论依据,对巳有阶梯型、锥型、指数型杆的结果是一个完善。     

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。     

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     

固体中圆柱形孔脉冲超声波散射的有限元模拟

建立了半无限各向同性弹性固体的具有吸收边界的二维平面应变有限元模型,计算研究了入射平面脉冲超声纵波和横波在固体中横向圆柱形孔上的散射。计算结果以位移场波场快照和位移散度场(纵波)、位移旋度场(横波)波场快照的形式给出,与现有动态光弹实验照片进行了比较,符合得较好。通过对计算数据的处理,清晰地看到了入射纵波沿孔壁的螺旋旋转爬行,证实了理论预计,弥补了光弹实验结果的不足。     

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。     

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。     

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。