幂函数形复合变幅杆的设计与分析.pdf

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1、机械设计与制造第10期106MachineryDesign＆Manufacture2015年10月幂函数形复合变幅杆的设计与分析李井，丁艳红，梁欣(太原理工大学机械工程学院，山西太原030024)摘要：运用理论解析法和替代法，对幂函数形复合变幅杆进行理论研究。通过理论推导得出超声变幅杆的振动频率、放大系数等重要参数。借助有限元分析软件ANSYS创建复合变幅杆的有限元模型，分析其振动特性，获得复合变幅杆的放大系数、振动频率等重要参数。分析比较理论值和仿真值，分析结果表明，替代法比传统设计方法简单，物理意义更加明显。同时也

2、说明ANSYS在变幅杆设计中有很大的重要性；为以后复杂变幅杆和理论推导较困难的变幅杆的设计提供一种新的思想和方法。关键词：复合变幅杆；替代法；有限元法；模态分析；谐振分析中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：1001—3997(2015)10一Ol06—03DesignandAnalysisonthePowerFunctiOn—ShaDedCompositeHornLIJing，DINGYan-hong，LIANGXin(CollegeofMechanicalEngineering，TaiyuanUniversi

3、tyofTechnology，ShanxiFaiyuan030024，Chill“)Abstract：Byusingtheoreticalanalyticalmethodandmechanicalimpedance，thepowernction-stuq~edcompositehornisstudiedtheoretically．Throughtheoreticalcalculation，thehorn’svibrationfrequency，m~ifcationfiwtorandotherimportantparam

4、eterareobtained．FiniteelementanalysisSoftwareANSYSisusedtoestablishacompositehorn．finiteelementnmdel，anditsvibrationcharacteristicsareanalyzedbycalculatingkhorn’svibrationfrequency．m~@ifcationfactorandotherimportantparameter．Analyzesandcomparesthetheoreticalvalu

5、esandsimulationvalues．Theresnitsshowthatmechanicalimpedanceiseasierthantheoreticalanalyticalmethod，andthephysicalmeaningismoreobvious．ItshowsthegrealimportanceofANSYSonthedesignofthehorn；itprovidesaunifedideaandmethodforstudyofcomplicatedhorn,andthehornwhichisdi

6、fficulttocalculatetheoretically．KeyWords：CompositeHorn；MechanicalImpedance；ModalAnalysis；HarmonicResponse合变幅杆的重要动力学参数，比l『』u频率，J桐I放人系数I『IjJJll引言使用有限元分析软件ANSYS进行有限元分析，其结果接近坤论随着功率超声技术的迅猛发展，对超声振动系统的要求越值，这表明ANSYS在变幅杆的设计中有非常承要的作用来越高。换能器、变幅杆(包括传振杆)和加工工具等共同构成超声振动系统，其中，超

7、声变幅杆是超声振动系统的重要部件之一fl_。在2超声复合变幅杆的理论分析振动系统中变幅杆的主要作用是将机械振动的速度或质点位移2．1波动方程进行放大，并且将超声能量汇聚在较小的面积上聚能，故超声变宽端接圆柱形的幂函数形复合变幅杆，杆的横截均⋯幅杆也可称为超声聚能器或者超声变速杆。根据不同的加工要面，如图1所示。对于均匀、各向同性材料所组成的变截朴，似求，设计不同类型的变幅杆。单一变幅杆是比较常见的，例如指数定平面纵波沿杆的轴向进行传播，j与波长远大于杆的截而寸形、悬链形、圆锥形等。文献提出了一种新的幂函数形变幅杆，这时

8、，可以认为杆截面上的应力是均匀分布的。类变幅杆与指数形变幅杆具有相同的放大系数，且不存在截止频在一维理论前提下，变幅杆需要满足波动方程：率。但在高强度超声加工中，要求变幅杆的放大系数和都华+．．篁+k：0(1)尽可能大一些，但单～变幅杆很难满足这一条件。而考虑诸多因xSOxdx素提出了一种新的变幅杆一宽端接圆柱杆的幂函数形复合变幅