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基于有限元的超声复合变幅杆的动力学分析及优化设计

作　者: 张可昕
导　师: 张向慧
学　校: 北方工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 超声变幅杆 超声负载 有限元分析 优化设计
分类号: TB55
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 126次
引　用: 1次
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内容摘要


随着高性能材料的不断涌现,硬脆材料如玻璃、石英、陶瓷等发展迅速。从航空、电子、汽车领域,再到冶金,化工和机械加工等行业,应用越来越广。同时,硬脆材料在实际应用中碰到的问题也越来越多。常规方法加工存在加工精度低、性能差、效率低、成本高等问题。旋转超声复合加工方法是一种将金刚石的优良切削性能与工具的超声频振动结合起来并绕其轴线做高速旋转的复合加工方法,在硬脆材料的加工上显示出了极大的优越性。本文以有限元为基础,对带负载的超声复合变幅杆进行了设计与优化。论文内容主要分为以下几部分：首先应用传统解析法分别对四种单一变幅杆：双曲线形,阶梯形、指数形、圆锥形变幅杆进行设计,求出其振幅放大比、形状因数、谐振长度等性能参数。其次,为了避免变幅杆与负载连接处应力集中与同轴度等问题,本文利用有限元软件,将复合变幅杆和负载作为整体来进行动力学分析,分别建立了三种带负载的超声复合变幅杆的有限元模型。通过模态分析确定了变幅杆的固有频率,通过谐振分析,得到振幅放大比,并将其作为优化目标函数对变幅杆进行优化。同时,应用有限元法分析了三种复合变幅杆负载的长度、直径对于变幅杆谐振长度,放大倍数的影响,为超声负载的设计提供理论依据。最后应用有限元法,设计并优化了带负载的三次样条曲线变幅杆,同时优化了变幅杆的放大系数和形状因数,为带负载的变幅杆的设计提供了新的研究方向。然后将带负载的指数形复合变幅杆安装在超声振动系统上进行旋转超声加工实验研究,从而证明该变幅杆具有较好的加工效率和加工精度。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 课题的目的与意义  9-10
  1.2 超声波加工技术发展概述  10-11
  1.3 超声变幅杆与负载技术的国内外研究现状  11-13
    1.3.1 超声变幅杆的研究现状  11
    1.3.2 超声负载的研究现状  11-13
  1.4 本课题所做工作  13-14
2 超声变幅杆和超声负载的理论设计基础  14-21
  2.1 超声变幅杆的性能参数  14
  2.2 超声变幅杆材料的选择  14-15
  2.3 超声变幅杆的设计方法  15-19
    2.3.1 传统解析法  15-16
    2.3.2 四端网络法  16-18
    2.3.3 有限元法  18-19
  2.4 超声负载的设计方法  19
  2.5 超声负载与变幅杆的连接方法  19-20
    2.5.1 负载与变幅杆之间的螺栓连接  19
    2.5.2 负载与变幅杆之间的钎焊连接  19-20
  2.6 本章小节  20-21
3 传统法的超声变幅杆和超声负载的设计与计算  21-32
  3.1 常见的单一变幅杆的理论设计  21-26
    3.1.1 指数形变幅杆  21-22
    3.1.2 圆锥形变幅杆  22-23
    3.1.3 双曲线形形变幅杆  23-24
    3.1.4 阶梯形变幅杆  24-25
    3.1.5 四种单一变幅杆性能参数的比较  25-26
  3.2 基于解析法的复合变幅杆的设计  26-29
  3.3 基于解析法的超声负载的设计  29-31
  3.4 本章小节  31-32
4 基于有限元的单一变幅杆的动力学分析与优化设计  32-43
  4.1 有限元法动力学分析的理论基础  32-34
    4.1.1 弹性体动力学基本方程  32-33
    4.1.2 模态分析理论及有限元力学基础  33-34
    4.1.3 谐响应分析理论及有限元力学基础  34
  4.2 基于ANSYS的优化设计理论  34-36
    4.2.1 ANSYS优化设计数学模型  34-35
    4.2.2 ANSYS优化设计方法  35
    4.2.3 ANSYS优化过程与步骤  35-36
  4.3 单一变幅杆的动力学分析与优化设计理论  36-43
    4.3.1 超声变幅杆的模态分析  36-38
    4.3.2 超声变幅杆的谐响应分析  38-39
    4.3.3 超声变幅杆优化设计  39-43
5 基于有限元的带负载的复合变幅杆的动力学分析与优化设计  43-52
  5.1 带负载的复合变幅杆的动力学分析与优化设计  43-47
    5.1.1 带负载的复合变幅杆的优化过程  44-45
    5.1.2 复合变幅杆的优化结果分析  45-47
  5.2 基于有限元的超声负载对于变幅杆谐振性能影响的分析  47-51
    5.2.1 超声负载长度,直径对于变幅杆谐振性能的影响  47-49
    5.2.2 超声负载的磨损对于超声振动系统共振频率的影响  49-51
  5.3 本章小节  51-52
6 带负载的三次样条曲线变幅杆的优化设计  52-63
  6.1 带负载的三次样条曲线变幅杆有限元模型的建立  52-55
    6.1.1 三次样条曲线的数学模型  52-54
    6.1.2 三次样条曲线变幅杆有限元模型  54-55
  6.2 三次样条曲线变幅杆的动力学分析与优化设计  55-59
    6.2.1 模态分析与谐响应分析求解  55
    6.2.2 带负载的三次样条曲线变幅杆的优化设计  55-59
  6.3 负载对于三次样条曲线变幅杆振动性能的影响  59-60
  6.4 负载的磨损对于三次样条曲线变幅杆共振频率的影响  60-62
  6.5 本章小节  62-63
7 旋转超声加工小孔的实验验证  63-66
  7.1 超声装置构成和材料的选择  63-64
    7.1.1 超声机床和变幅杆  63
    7.1.2 加工材料的选择  63
    7.1.3 超声振动系统频率的测试  63-64
  7.2 旋转超声加工工艺实验研究  64-65
    7.2.1 负载进给速度,超声功率对于不同工件材料轴向压力影响  64
    7.2.2 超声功率对于表面粗糙度的影响  64-65
    7.2.3 旋转超声加工与普通金刚砂磨削加工的效率对比研究  65
  7.3 本章小节  65-66
结论与展望  66-68
参考文献  68-73
硕士期间发表的论文目录  73-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 超声工程
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