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大端接圆柱杆的复合圆锥形变幅杆设计及应用

靳涛 胡小平 于保华

靳涛, 胡小平, 于保华等 . 大端接圆柱杆的复合圆锥形变幅杆设计及应用[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1630-1638. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0699
引用本文: 靳涛, 胡小平, 于保华等 . 大端接圆柱杆的复合圆锥形变幅杆设计及应用[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1630-1638. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0699
JIN Tao, HU Xiaoping, YU Baohuaet al. Design and application of compound conical horn with cylinder at big end[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1630-1638. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0699(in Chinese)
Citation: JIN Tao, HU Xiaoping, YU Baohuaet al. Design and application of compound conical horn with cylinder at big end[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1630-1638. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0699(in Chinese)

大端接圆柱杆的复合圆锥形变幅杆设计及应用

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0699
基金项目: 

国家自然科学基金 51475130

浙江省自然科学基金 LY17E050025

详细信息
    作者简介:

    靳涛  男, 硕士研究生。主要研究方向:特种精密加工技术、声学系统组件

    胡小平  女, 博士, 教授。主要研究方向:特种精密加工技术、设计理论与方法、知识工程

    于保华  男, 博士, 高级工程师。主要研究方向:特种精密加工、精密测量及控制

    通讯作者:

    胡小平, E-mail: xiaoping.hu@hdu.edu.cn

  • 中图分类号: V261;TH122

Design and application of compound conical horn with cylinder at big end

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51475130

Natural Science Foundation of Zhejiang Province LY17E050025

More Information
  • 摘要:

    针对目前国产超声变幅杆耐用性较差的问题,设计一种新型复合变幅杆,满足振幅的条件下,使变幅杆具有较小的工作应力。通过波动方程建立新型复合变幅杆参数方程,着重计算了放大倍数、形状因数及应力极大点等参数。首先,采用有限元分析软件对变幅杆进行动力学分析,得到的结果与理论结果进行比较,验证了理论公式的正确性。然后,在此基础上与圆锥形变幅杆、指数形变幅杆及小端接圆柱杆的复合圆锥形变幅杆进行比较,结果表明新型复合变幅杆具有更好的综合性能和更小的最大应力。最后,基于ANSYS Workbench优化设计功能对变幅杆进行优化修整,对优化后的变幅杆进行阻抗分析和振动性能测试,测试结果表明新型复合变幅杆理论性能参数与实验测试结果基本一致,变幅杆的谐振频率为20 013 Hz,当换能器输出振幅峰峰值为13 μm时,变幅杆的输出端振幅峰峰值可达40 μm,变幅杆振幅实际放大倍数为3.08,满足切削实验振幅的要求。

     

  • 图 1  新型复合变幅杆

    Figure 1.  New compound horn

    图 2  各类变幅杆性能参数对比

    Figure 2.  Comparison of performance parameters of various horns

    图 3  各类变幅杆最大应力对比

    Figure 3.  Comparison of maximum stress of various horns

    图 4  优化后的变幅杆的有限元分析结果

    Figure 4.  Finite element analysis results of optimized horn

    图 5  变幅杆实物

    Figure 5.  Photo of horn

    图 6  阻抗分析结果

    Figure 6.  Result of impedance analysis

    图 7  振幅测试结果

    Figure 7.  Results of amplitude test

    表  1  N对变幅杆性能参数的影响

    Table  1.   Effect of N on performance parameters of horn

    样本编号 N l2/mm Mp φ xm/mm
    1 1.077 94.31 1.09 1.05 33.13
    2 1.167 95.50 1.20 1.10 35.12
    3 1.272 96.70 1.32 1.16 37.27
    4 1.4 97.89 1.47 1.22 39.63
    5 1.556 99.88 1.63 1.29 42.21
    6 1.75 101.87 1.83 1.37 45.07
    7 2 104.66 2.06 1.45 48.24
    8 2.333 108.24 2.32 1.54 51.64
    9 2.8 112.22 2.65 1.65 55.49
    10 3.5 117.39 3.02 1.78 59.37
    注:l1=31.25 mm,FREQ=20 000 Hz。
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    表  2  l1对变幅杆性能参数的影响

    Table  2.   Effect of l1 on performance parameters of horn

    样本编号 l1/mm l2/mm Mp φ xm/mm
    1 1.99 139.67 2.94 1.705 82.46
    2 3.97 138.08 2.95 1.695 80.95
    3 5.92 136.49 2.97 1.716 78.86
    4 7.85 134.88 2.98 1.711 77.44
    5 15.14 128.92 3.04 1.746 71.37
    6 21.50 124.14 3.06 1.741 67.02
    7 26.85 120.56 3.03 1.767 62.51
    8 31.25 117.39 3.02 1.780 59.37
    9 34.86 115.00 2.98 1.792 56.58
    10 37.82 113.01 2.94 1.794 54.49
    11 40.27 111.02 2.93 1.806 52.97
    12 42.32 109.83 2.88 1.801 51.42
    13 44.05 108.64 2.85 1.801 50.23
    14 47.36 106.25 2.79 1.822 47.55
    15 49.70 104.66 2.74 1.825 45.74
    16 51.43 103.46 2.70 1.826 44.40
    17 52.75 102.27 2.68 1.834 43.60
    18 55.93 99.88 2.60 1.843 41.09
    19 57.55 98.69 2.56 1.859 39.37
    20 58.53 97.89 2.53 1.867 38.47
    注:N=3.5,FREQ=20 000 Hz。
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    表  3  00Cr17Ni14Mo2材料参数

    Table  3.   00Cr17Ni14Mo2 material parameters

    参数 数值
    密度ρ/(kg·m-3) 8 000
    弹性模量E/Pa 2.06×1011
    泊松比μ 0.28
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    表  4  N对动力学分析的影响

    Table  4.   Effect of N on kinetic analysis

    样本编号 N FREQ/Hz Mp σmax/MPa xm/mm
    1 1.077 20 431 1.14 23.99 34.46
    2 1.167 20 355 1.25 25.416 36.45
    3 1.272 20 318 1.36 26.926 38.56
    4 1.4 20 330 1.50 26.341 41.05
    5 1.556 20 273 1.66 27.002 43.51
    6 1.75 20 275 1.86 28.745 45.97
    7 2 20 239 2.08 30.578 48.80
    8 2.333 20 180 2.35 32.287 51.98
    9 2.8 20 250 2.66 34.035 55.71
    10 3.5 20 330 3.02 34.65 59.49
    注:l1=31.25 mm。
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    表  5  l1对动力学分析的影响

    Table  5.   Effect of l1 on kinetic analysis

    样本编号 l1/mm FREQ/Hz Mp σmax/MPa xm/mm
    1 1.99 20 518 3.00 35.85 81.25
    2 3.97 20 489 3.02 35.85 79.84
    3 5.92 20 474 3.02 35.81 77.79
    4 7.85 20 455 3.04 36.01 76.46
    5 15.14 20 449 3.07 35.93 70.57
    6 21.50 20 414 3.07 35.76 66.35
    7 26.85 20 352 3.05 35.17 61.91
    8 31.25 20 330 3.02 34.65 59.05
    9 34.86 20 296 2.98 33.94 55.78
    10 37.82 20 282 2.94 33.32 53.68
    11 40.27 20 311 2.90 32.74 51.98
    12 42.32 20 275 2.87 32.35 50.42
    13 44.05 20 260 2.83 31.87 49.23
    14 47.36 20 263 2.76 30.88 46.58
    15 49.70 20 254 2.70 30.35 44.54
    16 51.43 20 251 2.66 29.65 43.18
    17 52.75 20 276 2.63 29.25 42.14
    18 55.93 20 295 2.54 28.91 39.59
    19 57.55 20 316 2.50 28.58 37.87
    20 58.53 20 359 2.47 28.15 36.82
    注:N=3.5。
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    表  6  N对相对误差的影响

    Table  6.   Effect of N on relative error

    样本编号 N FREQ相对误差Δ1/% Mp相对误差Δ2/% xm相对误差Δ3/%
    1 1.077 2.16 4.59 4.01
    2 1.167 1.78 4.17 3.79
    3 1.272 1.59 3.03 3.46
    4 1.4 1.65 2.04 3.58
    5 1.556 1.37 1.84 3.08
    6 1.75 1.38 1.64 2.00
    7 2 1.20 0.97 1.16
    8 2.333 0.90 1.29 0.66
    9 2.8 1.25 0.38 0.40
    10 3.5 1.65 0 0.20
    注:l1=31.25 mm。
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    表  7  l1对相对误差的影响

    Table  7.   Effect of l1 on relative error

    样本编号 l1/mm FREQ相对误差Δ1/% Mp相对误差Δ2/% xm相对误差Δ3/%
    1 1.99 2.59 2.19 1.47
    2 3.97 2.44 2.20 1.37
    3 5.92 2.37 1.83 1.36
    4 7.85 2.28 1.97 1.27
    5 15.14 2.25 0.90 1.12
    6 21.50 2.07 0.39 1.00
    7 26.85 1.76 0.63 0.96
    8 31.25 1.65 0.01 0.54
    9 34.86 1.48 0.03 1.41
    10 37.82 1.41 0.01 1.49
    11 40.27 1.56 0.89 1.87
    12 42.32 1.38 0.46 1.94
    13 44.05 1.30 0.55 1.99
    14 47.36 1.32 1.06 2.04
    15 49.70 1.27 1.34 2.62
    16 51.43 1.25 1.41 2.75
    17 52.75 1.38 1.88 3.35
    18 55.93 1.47 2.28 3.65
    19 57.55 1.58 2.51 3.81
    20 58.53 1.79 2.28 4.29
    注:N=3.5。
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    表  8  新型复合变幅杆参数

    Table  8.   New composite horn parameters

    参数 数值
    l1/mm 31.25
    l2/mm 117.39
    xm/mm 59.37
    Mp 3.02
    φ 1.780
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    表  9  变幅杆优化设计结果

    Table  9.   Results of horn design optimization

    参数 优化前 优化后
    l1/mm 31.25 32
    l2/mm 117.39 120.51
    l3/mm 4.61 4.39
    FREQ/Hz 30 352 20 111
    Mp 3.05 3.12
    σmax/MPa 35.170 34.527
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-28
  • 录用日期:  2019-02-02
  • 刊出日期:  2019-08-20

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