新型超声变幅杆的优化设计.pdf

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1、设计·研究《电加工与模具}2010年增刊新型超声变幅杆的优化设计谨亚辉，轧刚(太原理工大学机械工程学院，山西太原030024)摘要：基于传统形状的变幅杆放大系数与形状因数不能同时放大的局限性，以3次样条曲线作为变幅杆轴截面的母线形状，应用ANSYS有限元动力学分析与优化设计方法，设计出了在满足材料许用工作应力条件下、具有良好形状因数与较大振幅放大系数的新型变幅杆。关键词：超声变幅杆；动力学分析；二维轴对称建模；优化设计中图分类号：TH113．1文献标识码：A文章编号：1009—279X(2010)SO一0073—03TheOptimumDesignofaNewKindU

2、ltrasonicHornJinYahui，YaGang(TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China)Abstract：Basedonlimitationsofthetraditionalhorn—shapedamplificationfactorandshapefactorcannotbeamplifiedatthesametime，usethecubicsplinecurveasthegeneratrixoftheaxiscross—sectionofthehorn，putintousethefiniteele

3、mentdynamicanalysisandoptimaldesignmethodofAN—SYStodevisedakindofnewultrasonichornnotonlymeettheMaterialAllowableworkingstresscon—ditions，butalsohasagoodshapefactorandlargeramplificationfactor．Keywords：ultrasonichorn；dynamicanalysis；two—dimensionalaxialsymmetrymodel；optimumdesign超声加工装置一般

4、由超声发生器、换能器、变幅发展，根据ANSYS有限元分析软件可对变幅杆进杆和工具头组成。在超声振动系统工作过程中，由行模态振动分析及谐响应分析，并在此基础上进行超声换能器辐射面所产生的振幅较小，只有几微米，优化，设计出一种优于传统形状的新型变幅杆。而超声加工所需要的振幅大约为几十至几百微米，1变幅杆的动力学分析这就需要通过变幅杆的放大与聚能作用将机械振动变幅杆的优化分析过程是建立在动力学分析基质点的位移量和运动速度放大，并将超声能量集中础上的。通过对变幅杆进行模态分析，找到在系统在较小的面积上。超声变幅杆的性能主要是由变幅激振频率范围内的固有频率，然后，在该频率下对变杆

5、的共振长度L、放大系数M、形状因数、位移幅杆进行谐响应分析，得出变幅杆自由端面的振幅、节点z、输入力阻抗z等参数加以描述的]。变幅位移节点和最大等效应力，从而计算出放大系数杆的合理设计必须既能满足以上各性能要求，保证M、形状因数等性能参数。其中放大系数是指变幅超声波加工，又能满足变幅杆材料的强度要求。传杆工作在共振频率时，输入端与输出端的质点位移统的超声振动系统的设计主要依据解析法，从经典或速度的比值；形状因数是衡量变幅杆所能达到理论出发，建立其动力学微分方程，根据边界条件确的最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何定其解。随着有限元理论的完善和相关应用软件的形状有关

6、，值越大，通过变幅杆所能达到的最大振动速度也越大。输入力阻抗Z定义为输入端策动收稿Et期：2010一叭一l8基金项目：山西省自然科学基金资助项目(2005—1051)力与质点振动速度的复数比值。然后再根据各性能第一作者简介：谨亚辉，男，1982年生，硕士研究生。参数不同特点来作为优化设计中的设计变量，状态一73—《电加工与模具)2010年增刊设计·研究变量或目标函数。1．1变幅杆的建模过程变幅杆为半波长圆截面杆，工作频率为15kHz，大端直径D=70mm，小端直径D=25mm，材料为45钢，表1是45钢的材料参数。表145钢的材料参数变幅杆是轴对称的回转体，所以可用二维

7、轴对图16点插值样条变幅杆有限元初始模型称模型来求解，建模采取由点到线再到面，横截面母Full法，在变幅杆大端所有节点上施加y方向频率线由6点插值3次样条曲线构成，插值点按顺序随为f=14697Hz，激振位移幅值为0．005mm的按机选取，其他点用直线连接。点的坐标初值要以变正弦变化的周期载荷，求解后参数化提取模型各端量的形式定义，以便于分析时轴向横截面母线形状面产生的周期位移响应与应力分布。可获得模型大的变化，达到对变幅杆形状的优化。各点初始坐标端输入振幅为。=0．5×10—1TL，小端输出振幅为定义见表2。，=一0．16×10～m，从