本文關(guān)鍵詞：基于有限元模型的超聲切割刀優(yōu)化設(shè)計(jì)及工藝實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：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(jì)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(wú)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(guò)程、優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、工藝試驗(yàn)等理論與技術(shù)問(wèn)題。第一,研究超聲切割系統(tǒng)振動(dòng)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(gè)超聲切割系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型,并對(duì)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(jì)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(duì)超聲切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在闡述換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上,初步確定換能器的關(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(duì)各部件的長(zhǎng)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(dòng)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(jì)算結(jié)果。根據(jù)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果,研制一款超聲波切割刀,并通過(guò)阻抗分析儀與激光多譜勒測(cè)振儀對(duì)超聲切割刀的固有頻率與響應(yīng)等超聲特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)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(jì)算結(jié)果相互吻合,滿足設(shè)計(jì)要求。第四,開(kāi)展切割C/C復(fù)合材料板的工藝實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比有無(wú)超聲信號(hào)情況下切割效果的不同,可以發(fā)現(xiàn)：切割刀加上超聲振動(dòng)之后,其切削力顯著減少、刃口切割質(zhì)量得到明顯的改善；對(duì)比不同超聲功率下切削力的大小及切割質(zhì)量的不同,可以發(fā)現(xiàn)：超聲功率的提高有利于減小切削力,改善材料表面質(zhì)量。以上研究?jī)?nèi)容及理論,有助于了解超聲切割刀的工作原理及其優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程,并且對(duì)超聲切割刀的研制有著重大的指導(dǎo)作用。
【關(guān)鍵詞】：超聲切割 有限元分析 優(yōu)化設(shè)計(jì) 復(fù)合材料
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG663
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 緒論14-22
• 1.1 選題的背景14-18
• 1.1.1 復(fù)合材料的發(fā)展歷程及性能14-15
• 1.1.2 復(fù)合材料的分類15-16
• 1.1.3 復(fù)合材料的應(yīng)用16-17
• 1.1.4 復(fù)合材料加工現(xiàn)狀17
• 1.1.5 超聲切割在復(fù)合材料加工中的優(yōu)勢(shì)17-18
• 1.2 研究目的和意義18-19
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4 論文結(jié)構(gòu)說(shuō)明20-22
• 第二章 超聲切割技術(shù)概述22-31
• 2.1 超聲切割基本原理22
• 2.3 超聲切割刀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方程22-25
• 2.3.1 超聲切割刀結(jié)構(gòu)組成22-24
• 2.3.2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及壓電方程24-25
• 2.3.3 變幅桿運(yùn)動(dòng)方程25
• 2.4 超聲換能系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究方法25-31
• 第三章 超聲切割系統(tǒng)有限元分析31-40
• 3.1 有限元分析原理31-33
• 3.1.1 模態(tài)分析原理32-33
• 3.1.2 諧響應(yīng)分析原理33
• 3.2 有限元建模33-35
• 3.2.1 超聲切割刀ANSYS建模33-34
• 3.2.2 網(wǎng)格劃分34
• 3.2.3 定義材料屬性及單元類型34-35
• 3.3 模態(tài)分析35-38
• 3.4 諧響應(yīng)分析38-39
• 3.5 本章小結(jié)39-40
• 第四章 超聲切割系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)40-47
• 4.1 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)40
• 4.2 超聲切割系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)40-43
• 4.2.1 超聲切割系統(tǒng)各部件材料的選擇40-42
• 4.2.2 超聲切割系統(tǒng)各部件尺寸的初定42-43
• 4.3 基于頻率靈敏度方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化43-46
• 4.3.1 模態(tài)頻率靈敏度基本原理43-44
• 4.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程44-45
• 4.3.3 優(yōu)化結(jié)果分析45-46
• 4.4 本章小結(jié)46-47
• 第五章 超聲切割刀實(shí)驗(yàn)測(cè)試47-51
• 5.1 阻抗測(cè)試原理47-48
• 5.2 阻抗測(cè)試結(jié)果分析48-49
• 5.3 振幅測(cè)試原理49
• 5.4 振幅測(cè)試結(jié)果對(duì)比及分析49-50
• 5.5 本章小結(jié)50-51
• 第六章 C/C復(fù)合材料超聲切割工藝實(shí)驗(yàn)51-58
• 6.1 C/C復(fù)合材料簡(jiǎn)介51
• 6.2 超聲切割與普通切割對(duì)比實(shí)驗(yàn)51-53
• 6.3 不同功率下超聲切割實(shí)驗(yàn)53-57
• 6.3.1 不同功率下切削力對(duì)比53-55
• 6.3.2 不同功率下超聲切割質(zhì)量對(duì)比55-57
• 6.4 本章小結(jié)57-58
• 結(jié)論與展望58-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文65-67
• 致謝67

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：896370