基于幂函数形与指数—圆锥形变幅杆进行超声喷丸的研究

发布时间：2017-03-21 23:05

  本文关键词：基于幂函数形与指数—圆锥形变幅杆进行超声喷丸的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声喷丸加工系统中变幅杆是非常重要的组成部分,起着汇聚能量、阻抗匹配以及放大振幅的作用。实际生产中对变幅杆有不同的要求。一方面,在加工强度较大的超声喷丸系统中,往往需要使变幅杆的放大系数以及形状因数都尽可能大一些;另一方面,在某些情况下,当换能器向介质辐射声波时,为了提高辐射声能,时常采用加大辐射面积来改善换能器与辐射介质之间的阻抗匹配。为了提高超声喷丸的效率,超声喷丸的过程中有时也需要增大变幅杆输出端的尺寸,因为较大的输出端面能够放置较多的撞针或者较多的弹丸。因此,很有必要设计一种有较大放大系数与较大输出端面的变幅杆。本文的研究内容如下:1)研究设计了一种新型的变幅杆,即幂函数形复合变幅杆,这种变幅杆能够克服单一变幅杆放大系数与形状因数的限制。采用理论推导的方法对该幂函数形复合变幅杆进行分析,求得频率方程与放大系数等参数。2)在设计幂函数形复合变幅杆时,变幅杆的频率仿真值往往小于频率设计值;这种偏差会随着变幅杆截面尺寸的增加不断扩大。根据瑞利近似修正理论,对这种现象产生的原因进行了理论分析;理论推导了幂函数形复合变幅杆谐振频率的修正公式,对于复杂变幅杆的频率修正有一定借鉴意义。同时借助分析软件ABAQUS进行模态分析,验证理论推导的正确性。3)设计分析了大端面指数-圆锥复合形变幅杆,这种变幅杆有较大的输出端面,能够辐射较大的声能,能够提高超声喷丸的加工效率。理论推导了这种大端面复合形变幅杆的放大系数以及频率方程的公式。4)在设计大端面指数-圆锥复合形变幅杆时,变幅杆的频率仿真值往往小于频率设计值;这种偏差会随着变幅杆截面尺寸的增加不断扩大。根据瑞利修正理论,理论推导了指数-圆锥复合形变幅杆谐振频率的修正公式,对于复杂变幅杆的频率修正有一定借鉴意义。同时借助分析软件workbench进行模态分析,验证理论推导的正确性。5)根据所设计的两种变幅杆,设计了两种表面强化处理方式。对于幂函数形复合变幅杆而言,由于输出端面较小,可以在变幅杆的端面放置撞针;对于有较大端面的指数-圆锥复合形变幅杆而言,由于输出端面比较大,可以在端面放置弹丸。6)将第一种模型进行简化,这样可以方便问题的研究。将撞针对工件的作用简化为弹丸冲击工件,这样两种模型可以共用一种形式的仿真模型。采用LS-DYNA中显式动力学分析的方法进行弹丸撞击模拟。由于喷丸的影响因素很多,在此着重考虑了弹丸速度、入射角度、弹丸半径大小对喷丸效果的影响。针对每种影响因素,分别得出了对喷丸效果的影响规律。
【关键词】：超声喷丸 幂函数形复合变幅杆 指数-圆锥形复合变幅杆 频率修正 撞击模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG668
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 文献综述12-19
• 1.2.1 喷丸强化技术在国内外的发展概述12-14
• 1.2.2 新型喷丸强化工艺14-18
• 1.2.3 超声变幅杆的研究现状18-19
• 1.3 选题的目的与意义19-20
• 1.4 课题研究的主要内容20-21
• 1.5 本章小结21-23
• 第二章 超声喷丸的关键组成部分与喷丸机理23-31
• 2.1 超声波简介与喷丸系统的组成23-27
• 2.1.1 超声波的产生23
• 2.1.2 超声波的特性23-24
• 2.1.3 超声喷丸强化系统中的主要部件24-27
• 2.2 超声喷丸强化技术的理论分析与喷丸材料的介绍27-29
• 2.2.1 喷丸强化技术的理论分析27-28
• 2.2.2 弹丸的选择28-29
• 2.3 超声喷丸加工的工业应用29-30
• 2.4 超声喷丸强化技术的发展趋势30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 变幅杆的设计与分析31-59
• 3.1 幂函数形复合变幅杆的设计与分析31-36
• 3.1.1 波动方程31-32
• 3.1.2 利用理论解析法对幂函数形复合变幅杆进行分析32-33
• 3.1.3 幂函数形复合变幅杆的理论求解与有限元分析33-36
• 3.1.4 幂函数形复合变幅杆的设计与分析总结36
• 3.2 幂函数形复合变幅杆谐振频率的瑞利修正36-44
• 3.2.1 谐振频率的瑞利修正方法36-38
• 3.2.2 幂函数形复合变幅杆谐振频率的瑞利修正38-40
• 3.2.3 频率修正值的实例计算40-42
• 3.2.4 有限元分析值与理论值的比较42-43
• 3.2.5 幂函数形复合变幅谐振频率的瑞利修正总结43-44
• 3.3 大输出端面指数-圆锥复合形变幅杆的设计与分析44-49
• 3.3.1 指数-圆锥复合形变幅杆的理论设计44-46
• 3.3.2 指数-圆锥复合形变幅杆的有限元分析46-49
• 3.3.3 理论值与仿真值的比较分析49
• 3.3.4 指数-圆锥复合形变幅杆的设计与分析总结49
• 3.4 指数-圆锥复合形变幅杆的谐振频率修正49-56
• 3.4.1 指数-圆锥复合形变幅杆的瑞利修正方法50-52
• 3.4.2 实例计算52-53
• 3.4.3 有限元分析值与理论值的比较53-55
• 3.4.4 指数-圆锥复合形变幅杆谐振频率修正的结论55-56
• 3.5 本章小结56-59
• 第四章 喷丸的模型以及模拟分析59-75
• 4.1 超声喷丸的两种模型59-60
• 4.1.1 撞针喷丸59
• 4.1.2 弹丸喷丸59-60
• 4.2 弹丸速度、入射角度对喷丸效果的影响60-69
• 4.2.1 弹丸冲击靶体模型的建立及网格划分60-62
• 4.2.2 结果分析62-69
• 4.3 弹丸半径大小对喷丸效果的影响69-74
• 4.3.1 模型的建立69-70
• 4.3.2 网格划分70
• 4.3.3 模拟结果分析70-74
• 4.4 本章小结74-75
• 第五章 总结与展望75-79
• 5.1 总结75-76
• 5.2 主要创新点76-77
• 5.3 展望77-79
• 参考文献79-85
• 致谢85-87
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文87

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