面向蜂窝复合材料加工的超声波变幅杆设计

摘要

蜂窝复合材料由于具有高比刚度和高比强度等特点，越来越多地应用在航空航天、汽车以及船舶等领域。但是在蜂窝复合材料传统加工工艺中，存在着加工零件表面质量差、尺寸精度低和环境中粉尘大等问题。超声切割加工通过给切割刀具耦合超声振动的方式，使刀具与蜂窝复合材料之间发生间断性的冲击与分离，使材料发生分离，可以有效地避免加工过程中粉尘的产生，并且获取较高的表面质量，有着广泛的应用前景。超声波变幅杆作为超声切割加工系统中的重要组成部分，对加工质量和加工效率有着重要的影响，因此研究变幅杆的优化设计具有重要的意义。
　　对于蜂窝复合材料的超声波切割加工，简单形状的变幅杆性能都不是很理想。圆锥形和指数形变幅杆的放大系数较小，刀具端部振幅达不到使用要求；阶梯形变幅杆尽管有比较大的放大系数，但其在截面突变处会产生应力集中，工作过程中截面突变处温度较高，不适合长期工作。目前，复杂形状变幅杆的结构设计中缺少一套切实可行的优化设计方法，对复杂形状超声波变幅杆的设计多以经验设计、反复修正和实验验证为主，设计效率低，设计精度差。针对这些问题，本文在研究超声波变幅杆性能参数和传统设计方法的基础上，以贝塞尔曲线形变幅杆为研究对象，提出了基于多目标遗传算法和有限元法的超声波变幅杆的优化设计方法，设计出了满足蜂窝复合材料超声波切割加工要求的变幅杆。该研究不仅为超声波变幅杆的优化设计提供了一条切实可行的优化途径，也对实际生产应用有重要的意义。本文主要内容如下：
　　（1）介绍了蜂窝复合材料的特性、应用和加工技术，概述了超声波变幅杆的国内外研究现状，提出了本课题研究的意义、目的及主要研究内容。
　　（2）在研究了变幅杆的重要性能参数和传统设计方法的基础上，根据贝塞尔曲线的结构特点，确定了变幅杆的基本结构参数，采用APDL和MATLAB高级语言相结合的方法，建立了贝塞尔曲线形变幅杆的有限元分析模型，结合有限元动力学分析理论，对变幅杆进行了模态分析和谐响应分析，并提取了影响变幅杆声学性能的谐振频率和放大系数，为后面的优化做准备。
　　（3）以贝塞尔曲线形超声波变幅杆的结构参数为设计变量，以谐振频率和放大系数为优化目标，建立了超声波变幅杆的多目标优化数学模型；通过编程实现在遗传算法中调用ANSYS程序，自动完成变幅杆的建模和动力学分析，获得计算目标函数所需的参数值，采用遗传算法求出该多目标优化问题的一组最优解，并对优化前后变幅杆的声学性能做了对比分析。
　　（4）对优化后的变幅杆进行了实验研究，完成对变幅杆谐振频率、阻抗和输出端振幅的测试与数据采集，并对测试结果进行相应的分析。
　　本文通过理论研究，并结合遗传算法和有限元分析技术设计了面向蜂窝复合材料超声波切割加工的变幅杆，最后进行了实验测试，实验结果验证了本研究建模方法和优化方法的有效性，为设计高性能的超声波变幅杆提供了一条新的途径，对超声波变幅杆的发展具有重要的工程实用价值。

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第一章 绪论

1.1 蜂窝复合材料的特点及应用

1.2 蜂窝复合材料的加工技术

1.3 超声波变幅杆的国内外研究现状

1.4 本课题研究的目的、意义和主要内容

第二章 超声波变幅杆设计方法研究

2.1 超声波变幅杆的重要性能参数

2.2 变幅杆设计方法研究

2.3 本章小结

第三章 基于APDL的变幅杆的参数化建模与分析

3.1 APDL简介

3.2 贝塞尔曲线形变幅杆的参数化建模

3.3 基于APDL的变幅杆的有限元分析

3.4 分析结果的提取

3.5 本章小结

第四章 贝塞尔曲线形变幅杆的多目标优化设计

4.1 多目标优化的遗传算法

4.2 贝塞尔曲线形变幅杆的多目标优化数学模型

4.3 贝塞尔曲线形变幅杆的多目标优化设计的实现过程

4.4 优化结果分析

4.5 本章小结

第五章 超声波变幅杆性能参数的实验研究

5.1 谐振频率和阻抗特性的测试与分析

5.2 振幅的测试与分析

5.3 试切实验

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录