基于有限元模型的超声切割刀优化设计及工艺实验研究

摘要

超声换能器广泛应用于许多工程领域，比如超声清洗、超声焊接、超声加工等应用领域。本文设计一款手持式超声切割刀，它在材料加工领域中有广泛的应用前景，可用于实验室及工作室切割橡胶、ABS塑料、复合材料等。相比普通切割刀，超声切割刀有着切割速度快、切割阻力小、无毛边等优点。全篇论文以提高超声切割刀切割效率为目标，以提高超声切割刀的切割速度和材料切割质量为核心，主要讨论了超声切割刀工作原理、有限元分析过程、优化设计过程、实验验证、工艺试验等理论与技术问题。
　　第一，研究超声切割系统振动模态与响应特性。在概括压电材料结构有限元分析方法的理论基础上，建立[后盖板-压电陶瓷-前盖板-变幅杆-刀片]整个超声切割系统的动力学仿真模型，并对其进行模态分析，得到了理想的轴向纵振模态，继而进行谐响应分析，计算得到超声切割系统的频率响应曲线，从而研究超声切割系统的响应特性。
　　第二，利用有限元分析软件对超声切割系统的结构进行优化设计。在阐述换能器优化设计原理的基础上，初步确定换能器的关键尺寸，然后，基于频率灵敏度方法，即根据轴向模态对各部件的长度和直径的灵敏度的不同，逐步调整各部件的尺寸，优化换能器的振动节点位置及谐振频率，以提高超声切割系统的稳定性、改善其超声特性。
　　第三，实验验证有限元计算结果。根据有限元优化设计的结果，研制一款超声波切割刀，并通过阻抗分析仪与激光多谱勒测振仪对超声切割刀的固有频率与响应等超声特性进行测试。测试结果发现:该超声切割刀的机械性能及超声特性与有限元计算结果相互吻合，满足设计要求。
　　第四，开展切割C/C复合材料板的工艺实验。通过对比有无超声信号情况下切割效果的不同，可以发现:切割刀加上超声振动之后，其切削力显著减少、刃口切割质量得到明显的改善;对比不同超声功率下切削力的大小及切割质量的不同，可以发现:超声功率的提高有利于减小切削力，改善材料表面质量。
　　以上研究内容及理论，有助于了解超声切割刀的工作原理及其优化设计过程，并且对超声切割刀的研制有着重大的指导作用。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景

1．1．1 复合材料的发展历程及性能

1．1．2 复合材料的分类

1．1．3 复合材料的应用

1．1．4 复合材料加工现状

1．1．5 超声切割在复合材料加工中的优势

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．4 论文结构说明

第二章 超声切割技术概述

2．1 超声切割基本原理

2．3 超声切割刀结构及运动方程

2．3．1 超声切割刀结构组成

2．3．2 压电陶瓷的压电效应及压电方程

2．3．3 变幅杆运动方程

2．4 超声换能系统动力学研究方法

第三章 超声切割系统有限元分析

3．1 有限元分析原理

3．1．1 模态分析原理

3．1．2 谐响应分析原理

3．2 有限元建模

3．2．1 超声切割刀ANSYS建模

3．2．2 网格划分

3．2．3 定义材料属性及单元类型

3．3 模态分析

3．4 谐响应分析

3．5 本章小结

第四章 超声切割系统优化设计

4．1 系统优化设计目标

4．2 超声切割系统的初步设计

4．2．1 超声切割系统各部件材料的选择

4．2．2 超声切割系统各部件尺寸的初定

4．3 基于频率灵敏度方法的系统结构优化

4．3．1 模态频率灵敏度基本原理

4．3．2 系统结构优化过程

4．3．3 优化结果分析

4．4 本章小结

第五章 超声切割刀实验测试

5．1 阻抗测试原理

5．2 阻抗测试结果分析

5．3 振幅测试原理

5．4 振幅测试结果对比及分析

5．5 本章小结

第六章 C／C复合材料超声切割工艺实验

6．1 C／C复合材料简介

6．2 超声切割与普通切割对比实验

6．3 不同功率下超声切割实验

6．3．1 不同功率下切削力对比

6．3．2 不同功率下超声切割质量对比

6．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢