振动钻削用阶梯形变幅杆动力学性能仿真分析

阶梯形变幅杆具有结构简单、加工方便、放大倍数大等优点,但通过传统解析法所得变幅杆的实际谐振频率及节点位置与理论设计值存在较大偏差,后期需进行大量修整工作。以变幅杆截面突变处添加的过渡圆弧及杆长为修整目标,利用有限元方法分析了过渡圆弧及杆长变化对放大倍数、节点位置、谐振频率的影响规律,并得到满足设计要求时的修整量与原有结构参数之间的函数关系式。针对某振动钻削用阶梯形变幅杆,依据函数关系式求得其修整量,并对修整后的变幅杆进行分析。结果表明:沿法兰盘固定前后变幅杆性能参数与理论值均有较高的吻合度。     

基于有限元分析阶梯型复合变幅杆的设计

为了获得放大系数大、振动可靠的变幅杆,设计了带圆锥过渡的1/4波长阶梯型变幅杆。通过理论计算得到阶梯型变幅杆的几何模型,并基于有限元方法,应用ANSYS软件对变幅杆进行模态分析和谐响应分析,获得了变幅杆频率、放大系数和最大应力的变化规律,为阶梯型复合变幅杆的设计提供了参考。     

阶梯形变幅杆数值设计研究

根据一维波动理论设计的阶梯形变幅杆,其性能参数与实测值偏差较大,后续修整工作量大。将有限元分析与理论设计相结合,研究了阶梯形变幅杆结构参数值的变化对谐振频率、放大系数和位移节点的影响规律,给出了大/小端长度与谐振频率之间的函数关系,以便于变幅杆的修整工作。研究结果表明,阶梯形变幅杆在有约束和无约束状态下的性能参数差异较大,修整时需要适当地增长大端长度,缩短小端长度,且增长量略大于减小量。该研究思路可为其他变幅杆的设计提供参考。     

圆锥形超磁致伸缩换能器变幅杆的设计

主要对磁致伸缩换能器的圆锥形变幅杆进行力学分析和讨论 ,以磁致伸缩换能器变幅杆设计理论为基础 ,设计并计算了圆锥形变幅杆谐振条件要求的尺寸参数关系 ,不同尺寸情况下的振幅放大系数、振速分布函数、应力分布函数及节面位置等 ,并导出了圆锥形变幅杆的频率方程 ,为实际开发超磁致伸缩换能器产品提供了设计依据。     

频率修正在超声变幅杆设计中的研究与应用

超声变幅杆在沿轴线方向作纵向振动时,由于存在泊松效应,纵向振动会引起变幅杆沿径向方向的横向振动。传统变幅杆在设计过程中,忽略横向振动的影响则会导致计算出的谐振频率高于实际频率。为了让变幅杆理论设计谐振频率与实际频率相符合,分别对简单圆柱杆和阶梯形变幅杆进行研究,推导出常用半径比范围内简单阶梯形变幅杆的频率修正公式,使其满足设计和使用要求,并可以减少能量传输过程中的能量损耗。     

纵波回形变幅杆的研究

由于在回形变幅杆中,纵向振动通过中间圆盘耦合,传统纵振变幅杆的设计方法已经不能完全适用,根据回形变幅杆的结构特点和振动传播特性,分析了纵波在变幅杆圆盘中发生的模态形式变化。在圆盘部位振动以切向振动模态为主,类似于柱面波径向传插,耦合后又转换为纵波形式输出。基于波动方程建立了回形变幅杆的频率方程,并讨论了利用频率方程结合有限元进行变幅杆结构尺寸的设计方法。试验结果表明,回形变幅杆的频率和变幅比与理论计算结果基本一致,且机械阻抗较小。     

带有加工工具的超声复合变幅杆的优化设计

鉴于传统的带有加工工具的超声复合变幅杆求解方法的不准确性,运用有限元法,设计带有加工工具的复合变幅杆,并对其进行动力学分析,包括模态分析、谐振分析;并在此基础上进行优化设计。在保证其突变处工作应力在其材料许用应力范围的前提下,得到其固有频率等于工作频率时复合变幅杆的最佳放大倍数及谐振长度;运用有限元法,分析了工具头的长度,直径对于整个变幅杆谐振长度、放大倍数的影响,为设计更多的复杂形变幅杆提出了一种新的思路。     

超声微细加工中变幅杆的设计与制造

超声微细加工首先需要制造出作为工具使用的变幅杆。变幅杆的设计与制造在整个超声微细加工过程中具有十分重要的作用。本文介绍了变幅杆在超声加工中的作用,常用不同形状变幅杆的功能、特点,并重点介绍了试验使用的阶梯形变幅杆和指数形变幅杆的具体设计及制作过程。     

一种圆弧过渡阶梯型超声变幅杆的节点法兰优化与参数型设计

超声波塑料焊接的纵振变幅杆需要易于装夹的无振动法兰,但薄片状法兰不易保证足够的刚度和加工质量,而厚片法兰易造成变幅杆的共振频率偏移,针对上述问题,对一种圆弧过渡阶梯型变幅杆进行了初步设计。在变幅杆的节点位置添加了薄片状法兰,然后对薄法兰的外侧加块,再利用ANSYS Workbench的Shape Optimization工具对块结构进行了优化,实现了在质量增加较少的情况下保证法兰处的强度;之后以两圆柱的长度为设计变量,对变幅杆进行了参数型设计,修正了变幅杆的长度,使其共振频率在19. 75 k Hz～20. 15 k Hz范围内,且节点恰好位于法兰处。研究结果表明:优化后的变幅杆振型呈轴向阶梯型分布,法兰无振动且易于装夹,薄片状法兰式变幅杆质量为0. 85 kg;优化后的变幅杆质量为0. 914 kg,质量增长了7. 5%,等效应力减少了21. 4%,最大主应力减少了59. 6%。     

1/2波长圆锥过渡复合超声变幅杆优化设计

圆锥过渡阶梯型复合变幅杆可增大阶梯形变幅杆位移放大倍数,还可解决阶梯形变幅杆在直径突变处位置应力集中的缺点,加工方便,适用于多种工业应用场合。基于波动理论进行变幅杆设计,用ANSYS软件进行有限元分析及尺寸优化,得到复合变幅杆的最佳共振频率、节点位置和放大系数等性能参数,并用试验验证其振动情况。结果表明:设计的复合变幅杆参数与试验测试结果一致,实际加工的变幅杆振动性能良好。