大振幅比超声变幅杆的优化设计
杨志斌;吴凤林;轧刚
【摘 要】以提高超声加工中的材料去除率为目的,基于ANSYS有限元模态分析、谐响应分析模块,利用ANSYS优化设计方法对变幅杆的形状与谐振长度进行优化,完成了在满足许用应力条件下具有大振幅比的新型变幅杆设计. 【期刊名称】《电加工与模具》 【年(卷),期】2007(000)006 【总页数】4页(P44-46,49)
【关键词】变幅杆;模态分析;谐响应分析;优化设计 【作 者】杨志斌;吴凤林;轧刚
【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原,030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原,030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原,030024 【正文语种】中 文 【中图分类】工业技术
<电加工与模具)2007 年第 6 期设计 · 研 究大 振 幅 比超 声 变 幅 杆 的优 化 设 计杨志斌 ， 吴凤林 ， 轧 刚（太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024 ）摘要 ： 以提 高超声加 工 中的材料去 除率为 目 的 ，基 于 ANSYS 有限元模 态分析、 谐响 应 分析模块 ， 利 用 ANSYS 优化设计 方 法对 变幅杆的 形状与谐振长度进行优化 ，完成 了在满足许 用 应 力条件下 具有大振幅 比 的新型 变幅 杆设计 。关键词 ： 变幅杆 ； 模态分析 ； 谐响应分析 ； 优化设计中图分类号 ：
TH113.1 TheOptimumDesign of UltrasonicHornwithLargeAmplitudeRatio Yang Zhibin,WuFenglin,YaGang ( Taiyuan Universityof
Technology,Taiyuan030024,China) Abstract: In ordertoenhancethe material removalratein ultrasonicmachining,basedonmodel analysis
andharmonicresponseanalysis of ANSYS,the shapeandvibrationlengthof theultrasonichornwasoptimizedbyusingoptimumdesignof ANSYS,andanewkind of ultrasonichornwithlargeamplituderatio andsatisfyingpromisedstresswasdesigned. Keywords:ultrasonic
horn;modelanalysis;harmonicresponseanalysis;optimumdesign超声加工[1】 是一种重要 的特种加工方法 ，加工 装置一般由超声发生器、换能器和变幅杆组成 ，其中 的变幅杆在加工过程中处于极其重要 的地位。 它的 主要作用是在其输出端将换能器输入的机械振动的 质点位移或速度放大 ，或将超声能量集 中在较小 的 面积上。 振幅放大 比是变幅杆的重要性能参数 ，对 加工过程中的材料去除率有较大影响。 各种传统形 状的变幅杆各有优点 ，但都不是最理想的。 指数形 和圆锥形变幅杆的放大倍数较低 ，降低了加工效率 ； 阶梯形虽有 比圆锥形和指数形变幅杆大得多的放大 倍数 ，但它的直径突变会引起过高的工作应力 ，即使 在突变处采用 圆锥或圆角过渡以降低工作应力 ，也 要损失较大的振幅放大比。随着 有 限元理论的完 善和相关应用软件的发 展 ，通过计算机直接进行 变 幅杆 的设计成为可 能。 基于 ANSYS有 限元模态 分析、 谐响应分析与优化收稿 日期：2007-07 -31基金项 目： 山西省 自然科学基金资助项 目(2005-1051) 第一作者简介 ： 杨志斌， 男 ， 1981 年生 ， 硬士研究生。 一44-设计模块 ，对变幅杆的形状与谐振长度进行优化 ，设 计出了一种在满足许用应力条件下具有大振幅 比的 新型变幅杆 。 1传 统形状 变幅杆 的解析计算传统形状变 幅杆 的设计 主要基于微分波动 方程[2，3 】 ： aaA 盯2dx=Ap 警 dz(1) ax式中： A为杆的横截面
积 函数 ，A=A(z) ；r． 为质 点位移函数 ， }=r(z) ；a 为应力 函 数 ， d= 盯 (z)= Ea
UltrasonicHornwithLargeAmplitudeRatio Zhibin,WuFenglin,YaGang Universityof Technology,Taiyuan030024,China) In ordertoenhancethe material removalratein ultrasonicmachining,basedonmodel analysis andharmonicresponseanalysis of ANSYS,the shapeandvibrationlengthof theultrasonic hornwasoptimizedbyusingoptimumdesignof ANSYS,andanewkind of ultrasonichornwithlarge amplituderatio andsatisfyingpromisedstresswasdesigned. Key words: ultrasonic
horn;modelanalysis;harmonicresponseanalysis;optimumdesign超声加工[1】 是一种重要 的特种加工方法 ，加工装置一般由超声发生器、换能器和变幅杆组成 ，其中的变幅杆在加工过程中处于极其重要 的地位。 它的主要作用是在其输出端将换能器输入的机械振动的质点位移或速度放大 ，或将超声能量集 中在较小 的面积上。 振幅放大 比是变幅杆的重要性能参数 ，对加工过程中的材料去除率有较大影响。 各种传统形状的变幅杆各有优点 ，但都不是最理想的。 指数形和圆锥形变幅杆的放大倍数较低 ，降低了加工效率 ；阶梯形虽有 比圆锥形和指数形变幅杆大得多的放大倍数 ，但它的直径突变会引起过高的工作应力 ，即使在突变处采用 圆锥或圆角过渡以降低工作应力 ，也要损失较大的振幅放大比。随着 有 限元理论的完
大振幅比超声变幅杆的优化设计
