超声变幅杆的模态分析和谐响应分析.pdf

Equipment ManufacturingTechnologyNo ． 11，2013 超声变幅杆的模态分析和谐响应分析 黄霞春 ，杨益梅。赵 奇 (湖南理工职业技术学院，湖南 湘潭 411104) 摘 要：运用有限元方法对四种变幅杆进行 了模态分析和谐响应分析，研究了超声加工 中变幅杆的动态性能 找 出了变 ， 幅杆的固有频率，并在变幅杆达到谐振状态的条件下，求出了变幅杆的位移节点、放大系数、应力应变极大点位置 结 。 论表明，有限元分析结果与理论分析结果符合较好，对工程实际中变幅杆的设计与研究具有较 高的参考价值 。 关键词：变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析 中图分类号：TG663 文献标识码：A 文章编号：1672—545X(2013)11-0010—04 超声加工技术是一种重要的特种加工方法。超 幅杆的模型如图3所示 ，其中有 4100个节点 ，体模 声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆 型共有 3720个体单元；阶梯形变幅杆的模型如图4 等组成 ，变幅杆的作用是将换能器输出的机械振动 所示 ，其中有 2114个节点，体模型共有9772个体 位移或速度振幅进行放大，使能量集中在较小的辐 单元。 射面上，所以又称为超声聚能器 ，其声学振动特性对 整个超声加_丁装置非常重要 I【】。在超声波加工中，要 使变幅杆有效和可靠地工作，保证所加工零件的精 一 一 度和加工效率 ，变幅杆必须具有 良好的动态特性 ，因 图1 指数形变幅杆有限元模型 图2 悬链线形变幅杆有限元模型 此应用有限元法对变幅杆进行动力学研究。其 内容 包括两个方面：固有振动特性分析和谐响应特性分 析，从而获得重要参数 ，如共振频率、放大系数、位移 节点、极大应变点。通过分析得出的参数值与MArr_ ～ 一 LAB计算值进行对比，得出应用有限元分析方法同 图3 圆锥形变幅杆有限元模型 图4 阶梯形变幅杆有限元模型 样可以获得较高地精度，这对复杂地超声变幅杆的 在没有指定的频率范围内，模态分析所得到的 设计提供一个新的求解方法。 各种形状的变幅杆 1～10阶固有频率，我们从固有 频率中取与工作频率20kHz最接近的频率，与工作 1 模态分析 频率进行了比较如表 1所示。 表 1 各种形状变幅杆固有频率比较 本文拟选取超声频率为厂=20kHz，材料为45号 变幅杆类型 解析值 ANSYS值 相对偏差％ 悬线形 20kHz 22．8l5kH 14．75 钢，根据参考文献[2]以材料45号钢的声学特性密度P 指数形 20kHz 20．173kHz 0．865 = 7．8le3kg／m。，始末端直径比为4，大端