基于有限元模型的超声切割刀优化设计及工艺实验研究

发布时间：2017-09-21 19:14

  本文关键词：基于有限元模型的超声切割刀优化设计及工艺实验研究

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【摘要】：超声换能器广泛应用于许多工程领域,比如超声清洗、超声焊接、超声加工等应用领域。本文设计一款手持式超声切割刀,它在材料加工领域中有广泛的应用前景,可用于实验室及工作室切割橡胶、ABS塑料、复合材料等。相比普通切割刀,超声切割刀有着切割速度快、切割阻力小、无毛边等优点。全篇论文以提高超声切割刀切割效率为目标,以提高超声切割刀的切割速度和材料切割质量为核心,主要讨论了超声切割刀工作原理、有限元分析过程、优化设计过程、实验验证、工艺试验等理论与技术问题。第一,研究超声切割系统振动模态与响应特性。在概括压电材料结构有限元分析方法的理论基础上,建立[后盖板-压电陶瓷-前盖板-变幅杆-刀片]整个超声切割系统的动力学仿真模型,并对其进行模态分析,得到了理想的轴向纵振模态,继而进行谐响应分析,计算得到超声切割系统的频率响应曲线,从而研究超声切割系统的响应特性。第二,利用有限元分析软件对超声切割系统的结构进行优化设计。在阐述换能器优化设计原理的基础上,初步确定换能器的关键尺寸,然后,基于频率灵敏度方法,即根据轴向模态对各部件的长度和直径的灵敏度的不同,逐步调整各部件的尺寸,优化换能器的振动节点位置及谐振频率,以提高超声切割系统的稳定性、改善其超声特性。第三,实验验证有限元计算结果。根据有限元优化设计的结果,研制一款超声波切割刀,并通过阻抗分析仪与激光多谱勒测振仪对超声切割刀的固有频率与响应等超声特性进行测试。测试结果发现：该超声切割刀的机械性能及超声特性与有限元计算结果相互吻合,满足设计要求。第四,开展切割C/C复合材料板的工艺实验。通过对比有无超声信号情况下切割效果的不同,可以发现：切割刀加上超声振动之后,其切削力显著减少、刃口切割质量得到明显的改善；对比不同超声功率下切削力的大小及切割质量的不同,可以发现：超声功率的提高有利于减小切削力,改善材料表面质量。以上研究内容及理论,有助于了解超声切割刀的工作原理及其优化设计过程,并且对超声切割刀的研制有着重大的指导作用。
【关键词】：超声切割 有限元分析 优化设计 复合材料
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG663
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 选题的背景14-18
• 1.1.1 复合材料的发展历程及性能14-15
• 1.1.2 复合材料的分类15-16
• 1.1.3 复合材料的应用16-17
• 1.1.4 复合材料加工现状17
• 1.1.5 超声切割在复合材料加工中的优势17-18
• 1.2 研究目的和意义18-19
• 1.3 国内外研究现状19-20
• 1.4 论文结构说明20-22
• 第二章 超声切割技术概述22-31
• 2.1 超声切割基本原理22
• 2.3 超声切割刀结构及运动方程22-25
• 2.3.1 超声切割刀结构组成22-24
• 2.3.2 压电陶瓷的压电效应及压电方程24-25
• 2.3.3 变幅杆运动方程25
• 2.4 超声换能系统动力学研究方法25-31
• 第三章 超声切割系统有限元分析31-40
• 3.1 有限元分析原理31-33
• 3.1.1 模态分析原理32-33
• 3.1.2 谐响应分析原理33
• 3.2 有限元建模33-35
• 3.2.1 超声切割刀ANSYS建模33-34
• 3.2.2 网格划分34
• 3.2.3 定义材料属性及单元类型34-35
• 3.3 模态分析35-38
• 3.4 谐响应分析38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 超声切割系统优化设计40-47
• 4.1 系统优化设计目标40
• 4.2 超声切割系统的初步设计40-43
• 4.2.1 超声切割系统各部件材料的选择40-42
• 4.2.2 超声切割系统各部件尺寸的初定42-43
• 4.3 基于频率灵敏度方法的系统结构优化43-46
• 4.3.1 模态频率灵敏度基本原理43-44
• 4.3.2 系统结构优化过程44-45
• 4.3.3 优化结果分析45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第五章 超声切割刀实验测试47-51
• 5.1 阻抗测试原理47-48
• 5.2 阻抗测试结果分析48-49
• 5.3 振幅测试原理49
• 5.4 振幅测试结果对比及分析49-50
• 5.5 本章小结50-51
• 第六章 C/C复合材料超声切割工艺实验51-58
• 6.1 C/C复合材料简介51
• 6.2 超声切割与普通切割对比实验51-53
• 6.3 不同功率下超声切割实验53-57
• 6.3.1 不同功率下切削力对比53-55
• 6.3.2 不同功率下超声切割质量对比55-57
• 6.4 本章小结57-58
• 结论与展望58-61
• 参考文献61-65
• 攻读学位期间发表的论文65-67
• 致谢67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈素玲;孙学杰;;金属基复合材料的分类及制造技术研究进展[J];电焊机;2011年07期

2 张立同;成来飞;;连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨[J];复合材料学报;2007年02期

3 刘井权,闫久春,杨士勤,王琴,徐涛;碳纤维预浸料超声切割工艺[J];焊接;2001年08期

4 范阳阳;林三宝;黄嘉明;杨春利;;超声-电弧复合焊接系统换能器优化设计[J];焊接学报;2011年06期

5 李勇;直九机用Nomex蜂窝研究[J];航空材料学报;1996年01期

6 高军;崔巍;;超声切割技术在复合材料加工领域的应用[J];航空制造技术;2008年04期

7 文立伟;严飙;肖军;张建宝;;复合材料超声切割系统及稳定性研究[J];航空制造技术;2010年17期

8 胡小平,黄仕彪,张云电;圆锥形变幅杆的设计及有限元分析[J];机电工程;2005年02期

9 李贵花;张向慧;傅水根;左晶;高炬;;基于四端网络法的指数形超声换能器性能分析[J];机械设计与研究;2010年03期

10 顾煜炯,周兆英，，姚健;超声振动系统的四端网络设计方法及其应用[J];机械工程学报;1997年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 马付建;超声辅助加工系统研发及其在复合材料加工中的应用[D];大连理工大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 任宇江;碳纤维复合材料的超声辅助磨削加工技术研究[D];大连理工大学;2010年

2 徐立红;陶瓷颗粒填充PTFE聚合物基复合材料摩擦磨损特性研究[D];河北工业大学;2002年

3 王亮亮;高导热聚合物基复合材料的研究[D];南京工业大学;2004年

4 杜龙;X-cor夹层复合材料力学性能研究[D];西北工业大学;2007年

5 桑永杰;大尺寸压电超声换能器的特性研究及有限元仿真[D];陕西师范大学;2007年

6 高天琪;三维正交结构碳纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的新型制备方法及性能分析[D];东华大学;2014年

本文编号：896370