超声变幅杆的模态分析和谐响应分析

《超声变幅杆的模态分析和谐响应分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、EquipmentManufacturingTechnologyNo．11，2013超声变幅杆的模态分析和谐响应分析黄霞春，杨益梅。赵奇(湖南理工职业技术学院，湖南湘潭411104)摘要：运用有限元方法对四种变幅杆进行了模态分析和谐响应分析，研究了超声加工中变幅杆的动态性能，找出了变幅杆的固有频率，并在变幅杆达到谐振状态的条件下，求出了变幅杆的位移节点、放大系数、应力应变极大点位置。结论表明，有限元分析结果与理论分析结果符合较好，对工程实际中变幅杆的设计与研究具有较高的参考价值。关键词：变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析中图分类号：TG663文献标识码：A文章编号：1672—545X(

2、2013)11-0010—04超声加工技术是一种重要的特种加工方法。超幅杆的模型如图3所示，其中有4100个节点，体模声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆型共有3720个体单元；阶梯形变幅杆的模型如图4等组成，变幅杆的作用是将换能器输出的机械振动所示，其中有2114个节点，体模型共有9772个体位移或速度振幅进行放大，使能量集中在较小的辐单元。射面上，所以又称为超声聚能器，其声学振动特性对整个超声加_丁装置非常重要【I】。在超声波加工中，要使变幅杆有效和可靠地工作，保证所加工零件的精一一度和加工效率，变幅杆必须具有良好的动态特性，因图1指数形变幅杆有限元模型图2悬链线形变幅杆有限

3、元模型此应用有限元法对变幅杆进行动力学研究。其内容包括两个方面：固有振动特性分析和谐响应特性分析，从而获得重要参数，如共振频率、放大系数、位移节点、极大应变点。通过分析得出的参数值与MAr_～一LAB计算值进行对比，得出应用有限元分析方法同图3圆锥形变幅杆有限元模型图4阶梯形变幅杆有限元模型样可以获得较高地精度，这对复杂地超声变幅杆的在没有指定的频率范围内，模态分析所得到的设计提供一个新的求解方法。各种形状的变幅杆1～10阶固有频率，我们从固有频率中取与工作频率20kHz最接近的频率，与工作1模态分析频率进行了比较如表1所示。表1各种形状变幅杆固有频率比较变幅杆类型解析值ANSYS值相对

4、偏差％本文拟选取超声频率为厂=20kHz，材料为45号悬线形20kHz22．8l5kH14．75钢，根据参考文献[2]以材料45号钢的声学特性密度P指数形20kHz20．173kHz0．865=7．8le3kg／m。，始末端直径比为4，大端直径为56mlTI，圆锥形20kHz20．550kHz2．75大端给定振幅为0．叭mm的变幅杆来进行参数计阶梯形20kHz22．751ktt13575算，材料特性泊松比为=0．28，杨氏模量E=20．92e10N／m。用体扫掠命令(VOLUMESWEEP)对模2谐响应分析型进行网格划分，下面分别为指数形变幅杆的模型如图】所示，其中有3936个节点，体模

5、型共有3560个模态分析求得在给定的频率范围内的一系列固有体单元；悬链线形变幅杆的模型如图2所示，其中有频率，在谐响应分析中，我们研究固有振动频率20kHz4387个节点，体模型共有4000个体单元；圆锥形变附近的响应特性，取激振位移的幅值为0．01mm，变收稿日期：2013—08—03基金项目：湖南省教育厅科学研究项目(编号：10C0186)作者简介：黄霞春(1969一)，副教授，硕士，研究方向为先进制造技术。10《装备制造技术>>2o13年第11期幅杆大端面施加随正弦变化的周期载荷，求自由端(2)悬链线形变幅杆的分析结果面产生的持续周期位移响应。悬链线形变幅杆在固有频率22．815k

6、Hz时，通过模型建立和网格划分与模态分析相同，加载时，分析得出了轴向应力分布曲线图8，轴向应变分布曲在变幅杆大端YZ面内所有的节点上施加x方向线图9，轴向位移分布曲线10。其所得结果为放大倍数0．01mm的位移，设定强制频率范围为0～20kHz。为4．78，位移节点为45．4mm，应变极大点为86．1nllrl。《-t，通过完全法(Full法)进行谐响应分析，得到变幅、杆在一个特定的固有频率下的轴向位移分布。在、

7、ANSYS操作中，可以找出在变幅杆中心线上的各个

8、‘、l节点，然后从这些节点中，得出这些节点的轴向位、、

9、移，在最末端的节点位移和大端面位移绝对值之比、l就可以得到该变幅杆的放

10、大系数。、l、2．1谐响应分析结果／．(1)指数形变幅杆的分析结果¨，,I,S9{●．"#$●●l站t}．7{11．指数形变幅杆在固有频率20．173kHz时，通过分图8悬链线形变幅杆轴向应力分布曲线图El-'-t析得出了轴向应力分布曲线图5，轴向应变分布曲线、、图6，轴向位移分布曲线图7。其所得结果为放大倍数＼为3．6l，位移节点为52．3mm，应变极大点为89．2mm。、、C_”’t

11、，、、、气＼～

12、‘l、、L、l＼、

13、¨．聃'