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大截面超声变幅杆振动特性研究及设计软件开发

杨超华  
【摘要】:功率超声在工业上的应用越来越广泛,也随之产生了对功率更大、声强更高的超声源的需求。超声变幅杆是功率超声设备中的关键部件,它起着增大声强和阻抗匹配的作用。大截面变幅杆能够传输更大功率更高声强的振动能量,因此对这类变幅杆的研究成为迫切需要。 本文首先深入阐述了变幅杆的相关知识以及有限元分析的基本原理。在此基础上,通过有限元分析软件ANSYS对纵向超声变幅杆进行了振动特性分析,研究了变幅杆的大端直径、变幅杆长度、大小端面直径比对大端面振幅分布的影响,并对大截面变幅杆的谐振频率、振幅放大系数、变幅杆的波节点位置,横向振动分布等进行了分析研究,总结了相关的变化规律。分析结果表明大截面变幅杆的许多性能参数,还有波节点位置等与传统的一维设计理论推导的结果存在很大差别。而且这种差别随着截面的增大越发明显。试验表明使用有限元软件分析的结果比传统方法得到的结果更接近测量值,因此利用ANSYS软件来设计大截面变幅杆可有效减小谐振参数设计误差。 从方便变幅杆设计人员的角度出发我们开发出了一款变幅杆专用设计与分析软件。本软件基于结构参数化的设计思想,使用ANSYS软件中的参数化设计语言(APDL)和可视化编程语言(VB),对变幅杆的参数化模块和用户界面模块进行了精心的设计。其中参数化模块解决了大截面变幅杆设计和分析过程中遇到的实体建模、振型识别、振幅比与波节点位置计算等诸多问题。用户界面友好,具有易操作性。本软件不仅适用一般直径变幅杆的设计,也达到了快速准确设计大截面超声变幅杆的目的。


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