非谐振单元变幅器的设计及其动力学研究

在超声珩齿加工中,由变幅杆和被加工齿轮组成的变幅器的设计是一项关键技术,变幅器的动力学特性对齿轮的加工质量有很大影响。齿轮作为变幅杆的负载,一方面其尺寸和质量大,对变幅器谐振频率的影响不能忽略,另一方面,齿轮的尺寸是由使用要求决定的,不能被任意设计,因此现有的功率超声变幅杆的设计方法不能适用于这种情况。以Mindlin厚板理论为基础,将齿轮简化为一厚圆板,圆板外径等于齿轮分度圆直径,根据齿轮与变幅杆在连接面的耦合关系及各自的动力学方程,建立变幅杆和齿轮组合系统的动力学模型,在此基础上设计变幅器,并进行动力学特性的分析,分析结论为超声珩齿变幅杆的设计提供了理论依据。通过有限元分析验证了设计理论完全可行。

超声变幅杆设计方法研究

超声变幅杆是超声振动系统中一个重要的组成部分,经常在高声强超声中应用。从声学角度出发,对超声变幅杆有许多种设计方法。本文在综合有关文献的基础上,阐述了常用的设计变幅杆的方法,如传统的设计方法,等效电路法,替代法(机械阻抗相等法),传输矩阵法,有限元法,表观弹性法等等。文中比较了这些设计方法的特点,提出了应用相应方法时应该注意的问题。为了能进一步简化设计,方便记忆,文中提出了用设计方法本身统一各单级变幅杆各性能参数的表达式等今后需要研究的问题。

1/2波长复合变幅杆的数值设计

为改善超声加工中变幅杆的某些性能,如提高放大系数等,需设计1/2波长复合型变幅杆。在传统变幅杆理论基础上,提出了一种复合变幅杆的数值设计方法,不需要进行繁琐的公式推导即可方便地计算得到复合变幅杆的固有频率、节点位置、位移曲线、放大系数等参数。计算结果与传统设计方法及有限元分析结果进行了比较,三者非常吻合,表明了数值设计法的可行性和有效性,为复杂的复合变幅杆设计、分析提供了一种新的方法。

1/2波长复合形变幅杆的有限元分析

为了改善变幅杆的某些性能,如增加放大系数,提高超声波加工材料去除率,该文探讨了1/2波长复合形变幅杆。运用有限元软件对变幅杆进行动力学分析,包括模态分析和谐响应分析,获得了若干重要参数,如共振频率、位移节点和放大系数等。从模态分析中可以得到变幅杆的纵振频率为19 769 Hz,放大系数为2.27。研究结果为超声变幅杆的设计、校核和分析提供了一种新的方法。

夹角型纵振变幅杆的有限元设计

对夹角型纵振动变幅杆进行了有限元设计,计算了不同尺寸变幅杆纵振动谐振状态下的放大系数与纵振动位移分布。结果显示:放大系数主要受变幅杆输入杆与输出杆的长度及半径的影响,输入杆与输出杆间的夹角对放大系数影响不大。而纵振动位移分布与节点位置则受角度影响较大。加工了5个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测量其振型与纵振动放大系数,测试显示纵振动可由输入端传递至输出端上,放大系数测试结果与有限元计算一致。

大振幅纵-扭复合振动模式超声变幅杆

研究了纵向及扭转振动在指数型变幅杆中的传播规律。通过选择指数型变幅杆的截面函数变化形式 ,导出了在同一变幅杆中纵向及扭转振动同频共振的条件 ,推出了指数型纵 -扭复合变幅杆的频率设计方程 ,为超声应用技术中纵

超声纵—扭振动铣削系统的研制

研究了超声声学系统,斜槽式变幅杆形成纵—扭振动的基本原理,对变幅杆的振动形式进行仿真,对超声纵扭振动装置系统进行了研制和测试。试验结果表明:斜槽式变幅杆能有效地将纵向振动转化为纵—扭振动。研制的超声纵扭振动系统匹配特性好,振动稳定性高,能够满足加工要求。

超声弯曲振动变幅杆的特性

根据文献 [1]提出的弯曲振动变幅杆的分析方法 ,通过大量数值计算 ,对圆截面指数形、锥形和悬链线形变幅杆弯曲振动的特性进行了研究。研究结果表明 ,变幅杆弯曲振动的频率随其长度增加而降低 ,随其直径增大而升高 ;进一步研究表明 ,尽管变幅杆谐振频率与其直径大小有关 ,但只要变幅杆两端直径比值一定 ,则其谐振频率与尺寸参数间存在一定关系 ,本文用谐振曲线描述了这一关系 ,谐振曲线对变幅杆设计以及复合振动的研究是一个非常重要的工具。最后对几种变幅杆的放大能力进行了比较 ,按从大到小的顺序依次是 :悬链线形。

插入式超声化学反应器的设计与仿真研究

超声辅助水样消解技术实现了水质多参数检测的快速性、准确性,而声化学反应器在超声消解法中起到了关键性作用。从理论方面分析了影响超声波在声化学反应器中能量传播的主要因素是反应器结构和几何尺寸;采用ANSYS软件仿真,设计了一种变幅杆插入式声化学反应器。通过MATLAB软件进行声场仿真分析,与槽式相比,插入式具有降低能量损耗,提高传播效率的优势。设计实验证明,基于插入式化学反应器的超声辅助快速检测方法测得标准邻苯二甲酸氢钾(KHP)溶液的化学需氧量(COD)值同国标法测得的COD值非常接近,准确度在-9.2%~4.4%,且测量重复性好,周期较短。该方法更有利于水质在线检测技术。

指数型变幅杆的模态分析

应用AN SYS通用有限元程序对指数型变幅杆进行了模态分析,得到了纵振动共振频率,位移节点,放大系数等参数。与理论分析结果比较,表明有限元法获得了较高精度。

新型超声波钻探设备的建模分析

目前,对宇宙中生命迹象的探索是世界各国所关注的最重要的目标之一。美国宇航局研制了由超声波或者声波驱动器驱动的一系列超声波/声波钻头/取心器(USDC)设备,用来进行空间探测并提取岩石、冰与土壤样品,以及进行原位分析。此设备在声波频率下,超声波压电驱动器驱动中间的自由质量块,进而冲击钻头来进行采样。基于此设备的运行过程,分析了超声波激发器的原理过程,主要是自由质量块与激发器的反应过程,变幅杆顶部与自由质量块的碰撞过程,自由质量块与钻杆的碰撞过程。初步建立了USDC内部各部分相互作用的模型。

高频超声在变幅杆件中传播损耗的测试

应用2.5 MHz超声探头,在两组不同尺寸阶梯形变幅杆中获得了相同测试条件下的超声回波信号.再利用数字示波器对信号进行采样,得到了数字化超声回波时域信号.根据傅里叶变换理论,得出了回波信号的波形和功率谱图,进而发现超声能量在这些不同尺寸变幅杆中谐振频率附近传播衰减的规律.结果表明,变幅杆放大系数大,从一端传递到另一端的平均声能量密度大.超声在阶梯形变幅杆中传播,其谐振频率附近回波功率谱线幅度与变幅杆几何尺寸有关.

牛角弯头三维CAD展开放样

介绍牛角弯头(或称圆锥管弯头)三维展开放样新方法,即利用三维CAD SolidWorks系统软件进行牛角弯头展开放样。该方法主要利用三维CAD软件1∶1快速生成弯头的反向排列圆锥台的立体线架图,然后由计算机快速测量出各节圆锥管的母线实长,进而进行整体平面展开。该方法突破了传统的放样模式,步骤简单、快捷,数据准确、可靠,大大优于传统的"作图法"、"计算法",是对传统放样模式的技术提升,是牛角弯头展开放样准确、简单化的有效途径。该方法提高了弯头的放样质量和效率,具有实际使用价值。

超声滚压装置中变幅器的仿真设计

运用两种不同方法设计超声滚压装置中的变幅器,一种采用传统设计法将变幅杆和滚轮分别设计后组装成变幅器;另一种方法是将变幅杆和滚轮整体考虑设计为变幅器。推导出变幅器的频率方程,求出了变幅器设计参数的数值解。通过有限元软件Marc分析,发现传统设计的变幅器中滚轮的设计频率与变幅器的谐振频率误差较大;而整体设计的变幅器的设计频率误差较小。经参数调整后两种变幅器的设计频率都可调至谐振频率20kHz。由于传统方法设计的变幅器未考虑滚轮作为负载对变幅杆的影响,在实际应用未能达到超声系统良好的共振效果;而整体设计变幅器中变幅杆及滚轮尺寸小,对变幅器的谐振频率影响较小,结构紧凑,抗弯刚度好,通过有限元分析验证了变幅器的整体设计理论完全可行,能够达到良好的共振效果。

变幅杆弯曲振动频率的计算及分析

超声变幅杆发生纵向振动时会不可避免地发生弯曲振动,进而影响振动系统的稳定性。以圆柱型变幅杆为例,分别通过不考虑转动和剪切的Euler-Bernoulli理论、只考虑转动惯量或只考虑剪切变形的影响、以及考虑转动惯量和剪切变形影响的Timoshenko理论,计算了对应的弯曲振动频率。又利用有限元软件计算了弯曲振动频率,并将上述计算值与实验测试值进行了比较,分析得到了各自的误差结果。

虚拟实体对象行为的人群动画高仿真度重建

针对当前各种场合下虚拟实体对象行为仿真的需要,文中提出基于Horn-Schunck算法的人群动画高仿真度重建方法。研究中构建了人群动画信息采集模型和人群流动特征域分类模型,通过利用人群图像信息多维动态特征域的模板匹配函数,实现人群图像信息跟踪采集,并且采用分特征域特征匹配方法进行人群图像信息的分块融合和特征块匹配,进而实现人群动画模型分类,从而实现人群图像的特征快速、精确采集。研究中还采用光流约束方程和全局约束算法的Horn-Schunck算法模型,实现了人群动画高仿真度重建。试验表明,文中方案优于其它设计方案,具有较广泛的应用价值。

基于VB平台迭代法优化设计超声变幅杆

论述了在VB平台上用迭代法优化设计超声变幅杆的过程。通过VB编程优化设计大大的缩短超声变幅杆设计周期,使设计精度得到显著提高,并且可以设计出用传统的设计方法所无法达到的最优方案。VB编程不但能用于机械设计计算程序,更重要的是能用于机械设计计算的研究,寻找最优的解为设计人员提供最佳的设计建议。

具有夹角结构纵振动变幅杆的设计方法

变幅杆是功率超声纵振系统中的关键部件之一,常见的是沿直线方向传播的变幅杆.有的应用场合需要变换纵振动传输方向.本文研究了具有夹角结构的超声纵振动变幅杆的设计方法.利用两端自由边界条件和夹角连接处的位移、力、弯矩及转角连续条件建立了设计变幅杆的频率方程,给出了计算变幅杆振幅放大系数的方法.利用本文中提出的设计方法,计算了若干个由两段杆组成的不同夹角的变幅杆的谐振频率,与有限元计算结果及Vib Pilot系统测试的变幅杆频率基本一致;后与谐振频率为19.8k Hz的压电换能器相连接,激光测振仪测试了系统的谐振频率、变幅杆的放大系数及变幅杆输出端面的振型.测试得到的变幅杆的放大倍数、振型与计算结果吻合.测试的端面振型呈活塞振动,说明在谐振频率上将换能器激励的沿水平方向的纵向振动,经过变幅杆成功地变换到了其输出端上.最后,对该型变幅杆作了大量计算,得出了放大倍数随几何尺寸变化的规律.

夹角型超声变幅杆的矩阵解析法

对新型的夹角型超声变幅杆的设计方法进行研究,借鉴传输矩阵法的思想利用一维振动理论推导了均匀杆两端界面各矢量间关系的特性矩阵,结合变幅杆连接处位移、力、转角和力矩的连续条件得到了夹角型超声变幅杆谐振频率的矩阵解析法.计算了不同尺寸变幅杆的谐振频率,计算结果与实验测试结果相一致.

输出端为锥形的夹角型超声变幅杆

传统超声变幅杆能量沿轴线方向传播,有些应用场合需要改变纵振动传播方向,并有较好的振幅放大系数.作者提出了输入端为均匀圆柱、输出端为锥形的夹角型超声变幅杆.为了研究该文所提出的变幅杆的声学特性,利用有限元方法计算了不同尺寸超声变幅杆纵振动的谐振频率、放大系数与位移分布.结果显示,谐振频率、放大系数都与变幅杆的夹角、输入输出杆的几何尺寸有关;同尺寸锥形输出杆的变幅杆比均匀杆输出杆的放大系数更大,影响振幅放大系数的主要因素是变幅杆的截面比.加工了9个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测试了其振型、频率、与振幅放大系数,结果表明在输出端上成功实现了纵振动传输,振幅得到了放大,且放大系数测试值与计算值基本一致.