基于Mindlin理论的功率超声纵弯谐振变幅器设计理论与实验研究

多种材料的阶梯环盘负载与变幅杆共同组成了功率超声纵弯谐振变幅器,在超声加工、超声处理等领域有着广泛应用。为了快速准确地对纵弯谐振变幅器进行设计,提出了一种基于Mindlin理论的变幅器设计方法。基于Mindlin理论求出了中厚环盘单元的位移、转角、弯矩和剪力的解析表达式。通过振动单元间的连续条件和边界条件,建立了纵弯谐振变幅器的振动模型与频率方程。基于该振动模型,利用MATLAB/GUI开发了纵弯谐振变幅器尺寸设计软件。通过理论计算设计了纵弯谐振变幅器,并进行了有限元模态分析、阻抗分析试验和超声谐振试验。仿真与试验的结果证明,基于Mindlin理论的纵弯谐振变幅器设计方法所设计的纵弯谐振变幅器的谐振频率与设计频率相符合,具有较好的设计精度,可为变幅器设计提供参考。     

大负载纵弯谐振变幅器谐振特性的研究与试验

大负载功率超声纵弯谐振变幅器在旋转超声加工、超声清洗、金属疲劳检测等领域应用广泛,针对大负载工具的应用现状,对阶梯环盘负载与变幅杆组成的功率超声纵弯谐振变幅器进行了设计研究。基于Mindlin中厚板理论,建立了纵弯谐振变幅器的振动模型,推导了频率方程与变幅器振型解析表达式,设计了不同材料大负载功率超声纵弯谐振变幅器。通过阻抗分析试验和超声谐振试验对所设计的变幅器进行了谐振特性研究。对比试验结果证明:大负载功率超声纵弯谐振变幅器的谐振频率与设计频率相比最大误差为4.95%,理论计算与谐振试验得到的三环盘振幅曲线的整体形态一致,零振幅位置最大偏差为6.51%,变幅器作纵弯谐振,为超声谐振系统的设计与应用提供了技术参考。     

多环盘组合结构的横向弯曲耦合振动建模与求解

超声谐振系统是旋转超声加工的核心设备,而多环盘结构是超声谐振系统中一种典型的负载结构,其横向弯曲耦合振动分析对于超声谐振系统设计具有重要意义。基于Mindlin厚板动力学理论,利用环盘的位移、转角、剪力和弯矩的连续条件和边界条件,建立了多环盘组合结构的横向弯曲耦合振动分析模型,推导了频率求解方程,并基于MATLAB设计了多环盘横向弯曲耦合振动频率的计算软件。通过理论模型求解、有限元模态分析和齿轮模态实验之间的对比分析,验证了该求解模型的准确性和程序的实用性,为旋转超声加工系统的设计提供了技术参考。     

大负载纵弯谐振超声磨削变幅器的设计与试验

基于Mindlin中厚板理论,针对超声磨削系统中的大负载砂轮进行了纵弯谐振变幅器的设计研究。将纵弯谐振变幅器分为变幅杆、基体环盘、磨料层环盘三个部分,分别建立各部分的位移与应力函数,利用边界条件建立纵弯谐振超声磨削变幅器的频率方程。根据频率方程设计了超声磨削变幅器,通过有限元分析和超声谐振试验对所设计的变幅器进行了试验研究。试验结果证明:超声磨削变幅器的谐振频率与设计频率基本一致,实际测得的砂轮振幅曲线与有限元仿真和理论计算取得的曲线的形态基本一致,验证了超声磨削纵弯谐振变幅器设计方法的正确性,为超声磨削系统的设计提供了理论依据。