旋转超声加工振动系统有限元分析及优化

摘要

超声加工技术在国内未得到很大程度的推广，其关键原因也是在超声加工振动系统的许多关键技术还存在技术瓶颈。其中振动系统的设计的精确程度直接影响了超声加工工作效率，因此其具有重要的研究价值。
　　本论文运用纵向振动理论对超声振动系统的工具刀、变幅杆进行结构设计。通过理论计算得到圆直杆半波长纵向振动频率20000Hz时其长度尺寸参数，并进行有限元模态与谐振分析验证其固有频率与谐振频率。通过理论计算初步得到变幅杆的各个尺寸参数。并对变幅杆进行了模态分析与谐振分析，确定变幅杆纵向振动模态频率为19397Hz，谐振频率为18176Hz，谐振频率不在超声工作频率范围19000Hz~21000Hz内。
　　文中还对超声加工振动系统不同关键件的联接进行了仿真处理，通过对两个关键件结合面法向接触刚度分形模型和结合面切向接触刚度分形模型研究，建立一个结合面虚拟材料模型，虚拟材料厚度和虚拟材料的材料属性可由法向分形接触刚度和切向分形接触刚度理论求得。将超声振动系统关键件联接表面使用虚拟材料进行有限元建模，通过模态分析与谐响应分析，得到纵向振动谐振频率为18979Hz，不在超声工作频率范围19000Hz~21000Hz内，因此需要对振动系统的关键件进行尺寸优化。
　　论文的最后部分对振动系统进行了尺寸优化，通过对振动系统进行参数化建模，然后建立优化的数学模型，利用有限元软件进行优化设计。优化以后振动系统谐振频率在超声工作频率范围19000Hz~21000Hz内的同时确保谐振频率更接近20000Hz。从而不仅使得该超声振动系统能够正常工作，还明显提升了该振动系统的超声加工效率和加工精度。

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第一章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 超声加工技术发展概述

1.3 有限元分析技术发展概述

1.4 本文主要内容

第二章 超声加工振动系统关键件设计

2.1 超声波原理

2.2 超声加工原理及其振动系统结构组成

2.3 超声加工振动系统关键件设计方法

2.4 本章小结

第三章 超声加工振动系统关键件有限元分析

3.1 有限单元法概述

3.2 模态分析理论

3.3 谐响应分析理论

3.4 变幅杆有限元模态分析及谐响应分析

3.5 工具刀有限元模态分析及谐响应分析

3.6 本章小结

第四章 振动系统关键件联接面仿真处理分析

4.1 机械结合面概述

4.2 结合面接触刚度分形模型

4.3 机械结合面接触区域等效建模

4.4 振动系统考虑结合面的有限元分析

4.5 本章小结

第五章 超声加工振动系统优化设计

5.1 优化设计概述

5.2 振动系统优化模型的建立

5.3 超声加工振动系统的优化计算结果及分析

5.4 对振动系统进行重新设计之后的仿真结果验证

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢