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《超声变幅杆的设计及振动分析》文献综述
摘要：基于国内外在超声变幅杆方面的研究资料，我总结了目前超声变幅杆的设计的几种方法:传统解析法、机械阻抗法、等效电路法、传输矩阵法、有限元法及分段趋近法等。同时发现只有在超声变幅杆的设计过程中将共振长度、放大倍数M、输入与输出端力阻抗Z、形状因数phi;、位移节点等参数进行一个综合的考虑，我们才能够设计出一种性能较好的变幅杆来，使其更好的应用于工业生产。
关键词：超声变幅杆，设计，优化，振动分析
Abstract： Based on the research data of ultrasonic horn at home and abroad, I summarize several methods of the design of ultrasonic horn: traditional analytical method, mechanical impedance method, equivalent circuit method, transmission matrix method, finite element method and subsection approach method. At the same time, it is found that only when the parameters of resonance length, magnification M, input and output force impedance Z, shape factor phi;, displacement nodes are considered comprehensively in the design process of ultrasonic horn, we can design a horn with better performance and make it better used in industrial production.
- 前言
随着科学技术的快速发展，超声加工装置普遍用于工业生活的各种领域。超声加工装置一般由超声发生器、换能器、变幅杆和工具头组成。超声变幅杆的主要功能包括：聚能作用（将机械振动的能量进行聚集）、进行机械阻抗匹配（用于换能器与工具杆间，有效的将换能器的能量向负载传输）、对整个超声振动系统进行固定（即将超声振动系统固定在静止的机架上，一般固定位置为变幅杆的节点位置）。在加工过程中由于超声换能器辐射面所产生的振幅较小，只有几微米，而超声加工所需要的振幅大约为几十至几百微米，这就需要通过变幅杆的放大与聚能作用将机械振动质点的位移量和运动速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上，因此超声变幅杆在工业生活中也被称为超声聚能器或超声变速杆。由于传统形状变幅杆中阶梯型变幅杆的放大系数较大但形状因数很小，而圆锥形变幅杆形状因数较大放大系数却很小，因此本研究打算设计一种新型的变幅杆使其在结构尽量简单的情况下具有较大放大系数和较大的形状因数等参数。然后根据有限元分析软件对变幅杆进行模态振动分析及谐响应分析，在此基础上对变幅杆进行优化，使得这种新型的变幅杆具有很强的实用性和高的性价比。由此可见通过本研究设计的变幅杆对实际的超声波加工具有极大的现实意义。
- 国内外研究概况
2.1国外研究概况
超声变幅杆的在国外的发展经历了一个很长的过程，一开始在上世纪40年代为了高功率超声波的应用，于是W.P.Mason发明了纵振指数型变幅杆，然后到了50年代原苏联学者提出了悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆,再到年代Eisner又提出了形状因数的概念，发展了一种应力沿杆件均匀分布的高斯形超声变幅杆。在此期间超声变幅杆经历了从单级到多级，从简单到复杂的过程。随后90年代根本佐久良雄等人提出了弯曲振动超声变幅杆和扭转振动超声变幅杆的理论,扩大了超声变幅杆工业应用范围。除了以上杆件形状外，在大功率超声冷拔丝、管等应用中出现了等厚度或变厚度的盘形或环形聚能器，在超声焊接、切割中又出现了大型块状超声变幅杆件，大型块状超声变幅杆件的研究也出现在超声的领域中。
进入上世纪90年代，有限元技术及其软件开始迅速发展，Ahmed, S.G.AMin 等人用有限元软件进行了锥面超声变幅杆的分析，得到应力与振幅在不同截面上的分布值。逢甲大学的Dai将功率超声加入板材侧壁，实验中存在钨极气体保护，实验设备中超声变幅杆传递的波是纵波中特殊的一种，这对对变幅杆提出了导热量的要求。.学者K，H，W. Seah, Y.S. Wong，L.CLee 等人通过分析超声变幅杆的固有频率特性，设计出的超声变幅杆的固有频率更加接近其与实际工作频率数值。同时也有文献对小截面的变幅杆进行了振动方面的研究，主要分析了频率特性，沿轴向的位移分布和应力分布状况等问题，但基本.上只停留在对传统理论方法的验证上。如今，市场上分布着各种各样的超声变幅杆，超声变幅杆的发展相对于发明初期已经完善很多。
图1 不同形状的变幅杆
到了如今，随着计算机性能的高速发展，以及各种建模软件如Soldworks,有限元分析软件如ANSYS进行限元动力学分析与优化，除此之外还有CAE等软件，可以实现对超声变幅杆进行振动分析。在这些硬件和软件的支撑下变幅杆的设计与优化工作量已经极大的简化了，并且通过软件的计算与分析变幅杆的设计与优化的质量与效率也有了突飞猛进的提升。20世纪以来，国外在变幅杆方面的研究也有了更快的发展。
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