本文關鍵詞：面向蜂窩復合材料加工的超聲波變幅桿設計

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【摘要】：蜂窩復合材料由于具有高比剛度和高比強度等特點，越來越多地應用在航空航天、汽車以及船舶等領域。但是在蜂窩復合材料傳統(tǒng)加工工藝中，存在著加工零件表面質(zhì)量差、尺寸精度低和環(huán)境中粉塵大等問題。超聲切割加工通過給切割刀具耦合超聲振動的方式，使刀具與蜂窩復合材料之間發(fā)生間斷性的沖擊與分離，使材料發(fā)生分離，可以有效地避免加工過程中粉塵的產(chǎn)生，并且獲取較高的表面質(zhì)量，有著廣泛的應用前景。超聲波變幅桿作為超聲切割加工系統(tǒng)中的重要組成部分，對加工質(zhì)量和加工效率有著重要的影響，因此研究變幅桿的優(yōu)化設計具有重要的意義。 對于蜂窩復合材料的超聲波切割加工，簡單形狀的變幅桿性能都不是很理想。圓錐形和指數(shù)形變幅桿的放大系數(shù)較小，刀具端部振幅達不到使用要求；階梯形變幅桿盡管有比較大的放大系數(shù)，但其在截面突變處會產(chǎn)生應力集中，工作過程中截面突變處溫度較高，不適合長期工作。目前，復雜形狀變幅桿的結(jié)構設計中缺少一套切實可行的優(yōu)化設計方法，對復雜形狀超聲波變幅桿的設計多以經(jīng)驗設計、反復修正和實驗驗證為主，設計效率低，設計精度差。針對這些問題，本文在研究超聲波變幅桿性能參數(shù)和傳統(tǒng)設計方法的基礎上，以貝塞爾曲線形變幅桿為研究對象，提出了基于多目標遺傳算法和有限元法的超聲波變幅桿的優(yōu)化設計方法，設計出了滿足蜂窩復合材料超聲波切割加工要求的變幅桿。該研究不僅為超聲波變幅桿的優(yōu)化設計提供了一條切實可行的優(yōu)化途徑，也對實際生產(chǎn)應用有重要的意義。本文主要內(nèi)容如下： （1）介紹了蜂窩復合材料的特性、應用和加工技術，概述了超聲波變幅桿的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了本課題研究的意義、目的及主要研究內(nèi)容。 （2）在研究了變幅桿的重要性能參數(shù)和傳統(tǒng)設計方法的基礎上，根據(jù)貝塞爾曲線的結(jié)構特點，確定了變幅桿的基本結(jié)構參數(shù)，采用APDL和MATLAB高級語言相結(jié)合的方法，建立了貝塞爾曲線形變幅桿的有限元分析模型，結(jié)合有限元動力學分析理論，對變幅桿進行了模態(tài)分析和諧響應分析，并提取了影響變幅桿聲學性能的諧振頻率和放大系數(shù)，為后面的優(yōu)化做準備。 （3）以貝塞爾曲線形超聲波變幅桿的結(jié)構參數(shù)為設計變量，以諧振頻率和放大系數(shù)為優(yōu)化目標，建立了超聲波變幅桿的多目標優(yōu)化數(shù)學模型；通過編程實現(xiàn)在遺傳算法中調(diào)用ANSYS程序，自動完成變幅桿的建模和動力學分析，獲得計算目標函數(shù)所需的參數(shù)值，采用遺傳算法求出該多目標優(yōu)化問題的一組最優(yōu)解，并對優(yōu)化前后變幅桿的聲學性能做了對比分析。 （4）對優(yōu)化后的變幅桿進行了實驗研究，完成對變幅桿諧振頻率、阻抗和輸出端振幅的測試與數(shù)據(jù)采集，并對測試結(jié)果進行相應的分析。 本文通過理論研究，并結(jié)合遺傳算法和有限元分析技術設計了面向蜂窩復合材料超聲波切割加工的變幅桿，最后進行了實驗測試，實驗結(jié)果驗證了本研究建模方法和優(yōu)化方法的有效性，為設計高性能的超聲波變幅桿提供了一條新的途徑，，對超聲波變幅桿的發(fā)展具有重要的工程實用價值。
【學位授予單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG663;TB383.4

【參考文獻】

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本文編號：1243174