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超声变幅杆的有限元分析与验证试验

发布于:2016-05-03 21:17
有限元分析

      超声变幅杆是智能超声设备的重要部件,其性能的优劣直接决定了超声设备是否正常工作,对超声设备有着根本的、致命的影响。传统的超声变幅杆设计,是通过传统解析法来设计,然后凭设计人员的经验对超声变幅杆进行修正,如果对变幅杆的测试结果不符合要求,需要再对结构进行修改和实验测试,直到测试结果符合使用要求。这种传统的设计方法不仅设计精度较低,而且浪费设计时间和费用。随着计算机软硬件技术的发展,计算机辅助计算被用于提高超声变幅杆的设计效率、精度,节约开发成本。
      本研究使用有限元分析AppANSYS,对复杂结构的指数型超声变幅杆进行模态分析,获得变幅杆的模态参数,对变幅杆进行结构优化设计,并确定出变幅杆的最后结构,使设计的变幅杆结构符合实际使用要求。
      本研究设计的半波长指数型变幅杆,要求其工作频率f=15kHz,变幅杆材料为45#钢,其弹性模量E=210GPa,密度ρ=7 850kg/m3,其纵波在细棒中的声速c=5.169×106mm/s。本研究根据产品设计要求选取指数型变幅杆的大端直径D1=78mm,小端直径D2=30mm。
      根据公式,可得到该指数型变幅杆的参数:谐振长度l=180mm,质点位移节点x0=73.1mm,放大系数Mp=N=2.6,应变极大点xmax=107.27mm,形状因数φ=1.472。
      通过传统解析法设计出来的变幅杆不能直接应用于超声振动系统中的。在实际工作中,要在变幅杆的位移节点处加上法兰盘结构,使变幅杆能和基座固定在一起,还要在变幅杆大小两个端面上打孔和攻丝,分别与换能器和工具头联接,同时,在变幅杆小端处设计一个六角螺母结构,便于变幅杆的安装。做出这些必要的修改后,变幅杆的固有频率发生变化,而不再是原来的设计值。所以利用有限元法进行数值模拟,对变幅杆进行修正设计,算出变幅杆的最优结构,使变幅杆的固有频率变回到原来的设计值。这样变幅杆在超声振动系统工作时才能可靠地谐振起来,使其具有较大的振幅放大系数,达到工作要求。
      假设法兰盘的厚为3mm,在小端作出六角螺母后,由于超声变幅杆的大端要与换能器联接,大端尺寸由换能器的输出端尺寸所决定,因而超声变幅杆的小端要与工具联接,所以小端截面尺寸也不能作修改。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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