大尺寸立方体开槽超声塑料焊接工具头的优化设计

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1、万方数据第29卷第1期2010年2月声学技术TechnicalAcousfiCSV01．29，NO．1Feb．，2010大尺寸立方体开槽超声塑料焊接工具头的优化设计成桢垃，郭建中1(1．陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安710062；2．西安文理学院物理系，西安710065)摘要：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

2、，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。关键词：大尺寸工具头开槽；超声望料焊接；有限元分析；优化设计中图分类号：TB552THl2文献标识码：A文章编号：1000．3630(2010)．01．0103．04DOI编码：10．3969巧．issnl000—3630．2010．01．024Optimizeddesignoflargesizeblock-likeslottedhornforultrasonicpla

3、sticweldingCHENGZhen“．GUOJian．zhon91(1．ShamiNormalUmvem'tyCollegeofPhysia蟹Infoma矗onTechnology，Xi'an710062，China；，2．Xi'anUniven'ity蝣ArtsandSdemeDc'partment醇phys嫡Xi'an710065．China)Abstract：Theresonantfrequency,frequencyspacingandtheuniformityofamplitudeareimporta

4、ntqualityspecificationsoflargesizeultrasonicplasticweldinghorns．BasedOilengineeringrequisition，consideringthelengthofhorn，thelengthandwidthofslotasdesignvariables，thelongitudinalresonantfrequencyofhornandthefrequencyspacingasconstraintconditions，andtheuniformit

5、yofamplitudeastheobjectivefunction，theoptimaldesignalgorithmiswritten．Thestructureoflargesizeblock-likeslottedhornsforultrasonicplasticweldingisoptimizedbyusingthefiniteelementanalysispackageANSYS．Theexampleofdesignshowsthatthisoptimizedmethodisfeasibleandeffec

6、tivetOsolvethedesignproblemoflargesizeblock-likeslottedhornsforultrasonicplasticwelding．Keywords：largesize；ultrasonicplasticweldinghorn；finiteelement；optimumdesign1引言超声塑料焊接是利用热塑性塑料在高频受迫振动下，其焊接面相互摩擦产生局部高温而熔化结合的一种技术。超声塑料焊接过程中，既不需添加任何粘接剂、填料或溶剂，也不消耗大量热源，具有操作简便、焊接速度

7、快、焊接强度高、生产效率高等优点，因此超声波焊接技术越来越广泛地获得应用。超声塑料焊接系统主要包括电源、换能器、变幅杆以及工具头。工具头作为传递能量的关键部件，需根据被焊物件的形状来专门设计。理想的工具头要求在系统工作频率下作一阶纵向振动，并且具有均匀的输出振幅。一般来说衡量工具头优劣的收稿日期：2009．03-31；僚回日期：2009．06-10作者简介：成桢(1978-)，女，陕两西安人，硕士研究生。通讯作者：成桢。E·nl&il：chengzhen613@163．cotll重要指标是振幅均匀度(定义为工具头输出

8、端面振幅的最小值和最大值之比)和频率隔离性能(即工具头工作时的纵向谐振频率和其附近最近的谐振频率间的间隔，称为频率间隔)。输出端面的振幅均匀度越高，则焊接面越平整光滑；而频率间隔越大，系统稳定性越高。实际工程中，对于横向尺寸大于四分之一波长的大尺寸工具头，由于其横向振动对纵向振动的影响较大，即使在纯纵向模态下工具头输出端面的振幅也不是很均匀，解