非傳統(tǒng)超聲加工裝置的聲學特性研究.pdf

1、當前國防軍工、新能源等領域的高端裝備技術飛速發(fā)展，對大尺寸、異形、深腔、曲面等復合材料構件的整體制造技術要求越來越苛刻，而超聲輔助加工在硬脆材料的加工領域具有獨特的優(yōu)勢，因此適用于大尺寸、異形深腔、曲面等構件整體加工的超聲輔助加工系統(tǒng)的研制也備受關注。目前，該系統(tǒng)中的大長徑比變幅桿和杯形變幅桿的研制尚未得到很好的解決，本文對此系統(tǒng)展開如下研究：
　　一、對超聲換能器進行了解析設計和優(yōu)化，利用仿真對換能器進行了模態(tài)分析、諧響應分析、

2、導納特性分析，分別獲得了換能器的諧振頻率、振型與前后輸出端的幅頻曲線和導納特性圖。通過實驗對換能器進行了阻抗和振幅的測量，可穩(wěn)定輸出工作頻率25.3kHz，振幅為4.2μm。闡述了非接觸電能傳輸裝置的結構和原理，同時分析了原、副邊電路的匹配形式。仿真表明：該裝置的磁芯間隙為0.5mm時傳遞效率達到75％左右，磁芯間隙為1mm時傳遞效率達到60%左右。
　　二、基于傳輸矩陣理論設計了圓錐復合、指數(shù)復合和懸鏈復合的三種大長徑比變幅桿，

3、并建立有限元模型對其進行模態(tài)分析和剛度分析。研制了三種變幅桿并對其進行振動性能測試和工作穩(wěn)定性實驗。結果表明設計頻率與仿真和實驗頻率基本一致，且懸鏈復合變幅桿桿各項性能表現(xiàn)最好。
　　三、基于彎曲振動理論、耦合振動理論和變幅桿設計理論，結合有限元分析，設計了一種超聲杯形變幅桿。研究了其結構剛度和耦合動力學，研究表明杯形桿的剛度較好，且當變幅桿與杯形頭的諧振頻率相同或相近時，耦合效果最好，輸出振幅最大。利用限元仿真和實驗測試，研究了

4、杯形頭的壁高、底厚、內徑和外圓倒角對杯形變幅桿模態(tài)的影響，研究表明：杯形變幅桿的固有頻率隨著杯形頭的底厚減小而降低；隨著杯形頭的壁高、內徑減小而升高；隨著外圓倒角的增大變化不大，且實測結果與仿真分析基本一致。對設計的杯形變幅桿進行阻抗特性和振幅特性分析，實驗表明：振動系統(tǒng)聲電轉換效率高，工作性能穩(wěn)定，杯形頭輸出端面振幅變化不大，為7~8.0μm，與軸向夾角為70.2度左右，且沿軸向方向越靠近輸出端輸出振幅越大，兩種實驗結果與仿真結果一致