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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

张可昕  
【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。


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