基于有限元模型的超聲切割刀優(yōu)化設(shè)計及工藝實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、超聲換能器廣泛應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域，比如超聲清洗、超聲焊接、超聲加工等應(yīng)用領(lǐng)域。本文設(shè)計一款手持式超聲切割刀，它在材料加工領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，可用于實(shí)驗(yàn)室及工作室切割橡膠、ABS塑料、復(fù)合材料等。相比普通切割刀，超聲切割刀有著切割速度快、切割阻力小、無毛邊等優(yōu)點(diǎn)。全篇論文以提高超聲切割刀切割效率為目標(biāo)，以提高超聲切割刀的切割速度和材料切割質(zhì)量為核心，主要討論了超聲切割刀工作原理、有限元分析過程、優(yōu)化設(shè)計過程、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、工藝試驗(yàn)等理論與

2、技術(shù)問題。
　　第一，研究超聲切割系統(tǒng)振動模態(tài)與響應(yīng)特性。在概括壓電材料結(jié)構(gòu)有限元分析方法的理論基礎(chǔ)上，建立[后蓋板-壓電陶瓷-前蓋板-變幅桿-刀片]整個超聲切割系統(tǒng)的動力學(xué)仿真模型，并對其進(jìn)行模態(tài)分析，得到了理想的軸向縱振模態(tài)，繼而進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計算得到超聲切割系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線，從而研究超聲切割系統(tǒng)的響應(yīng)特性。
　　第二，利用有限元分析軟件對超聲切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在闡述換能器優(yōu)化設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，初步確定換能

3、器的關(guān)鍵尺寸，然后，基于頻率靈敏度方法，即根據(jù)軸向模態(tài)對各部件的長度和直徑的靈敏度的不同，逐步調(diào)整各部件的尺寸，優(yōu)化換能器的振動節(jié)點(diǎn)位置及諧振頻率，以提高超聲切割系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善其超聲特性。
　　第三，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元計算結(jié)果。根據(jù)有限元優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，研制一款超聲波切割刀，并通過阻抗分析儀與激光多譜勒測振儀對超聲切割刀的固有頻率與響應(yīng)等超聲特性進(jìn)行測試。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn):該超聲切割刀的機(jī)械性能及超聲特性與有限元計算結(jié)果相互吻合，滿足