CN106563634A - 一种空心指数型超声变幅杆的设计方法 - Google Patents
一种空心指数型超声变幅杆的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106563634A CN106563634A CN201610663349.2A CN201610663349A CN106563634A CN 106563634 A CN106563634 A CN 106563634A CN 201610663349 A CN201610663349 A CN 201610663349A CN 106563634 A CN106563634 A CN 106563634A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- horn
- hollow
- formula
- ultrasonic amplitude
- exponential type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 abstract 1
- 238000013341 scale-up Methods 0.000 description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B3/02—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency involving a change of amplitude
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
一种空心指数型超声变幅杆的设计方法，属于功率超声变幅杆设计领域。本发明解决了现有变幅杆设计方法均为实心结构，缺少空心结构的，以及实心超声变幅杆的放大系数有限的问题。它包括以下步骤：步骤一、计算面积系数N、谐振长度l、蜿蜒指数β和δ；步骤二、计算位移节点x 0；步骤三、计算放大系数M；步骤四、计算设应变极大点x M，进而求得到形状因数φ；步骤五、运用模拟软件依据步骤一至步骤一四中给定的数据和计算的结果进行数值模拟，对空心超声变幅杆的设计进行优化。本发明适用于空心指数型超声变幅杆的设计。
Description
技术领域
本发明属于功率超声变幅杆设计领域，具体涉及一种空心指数型超声变幅杆的设计方法。
背景技术
功率超声在工业中应用十分广泛，超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上聚能，因此也称超声变速杆或超声聚能器。超声变幅杆主要分为阶梯形、指数型、圆锥形、双曲线形等类型，在其它参数相同的情况下，阶梯形变幅杆的放大系数最大，其次是双曲线形变幅杆和指数型变幅杆；圆锥形变幅杆的形状因数最大，其次是指数型。综合考虑形状因数和放大系数，指数型超声变幅杆要优于其它类型。目前，超声变幅杆多为实心设计，并且放大系数有限，在此基础上想获得更高的放大系数，唯有增大端面直径来获得更大的放大系数，这势必造成径向振动增大，反而制约了能量在小端的聚焦，进而影响功率超声装置的整体放大系数。而空心变幅杆，在不需要增大变幅杆端面直径的条件下，便可获得更大的放大系数。此外，在材料加工领域，常常需要空心超声变幅杆，例如，带中心孔的变幅杆可以实现旋转超声加工的中心供冷却液或气体，可使其具有良好的冷却和排屑效果。然而，，变幅杆设计方法缺少相关数学模型，而且没有完整的理论体系，为此，本发明提出了一种空心超声变幅杆的设计方法。
发明内容
本发明为了解决现有变幅杆设计方法均为实心结构，缺少空心结构的，以及实心超声变幅杆的放大系数有限的问题，提出了一种空心超声变幅杆的设计方法。
一种空心指数型超声变幅杆的设计方法，它是按以下步骤实现的：
步骤一、变幅杆的母线选为指数型，设变幅杆大端面面积为，小端面面积为，圆柱形空心部分内圆面积为，为变幅杆的大端端面直径，为变幅杆的小端端面直径，为变幅杆的空心直径，振动频率为，纵波波速为。指数型空心变幅杆可以类比成实心指数型变幅杆，所以空心指数型变幅杆的面积函数为：
（1）
式（1）中和为蜿蜒指数，且
（2）
式（2）中N为面积系数，l为谐振长度，且
（3）
空心指数型变幅杆的直径函数为：
（4）
在已知时，联立公式（2）至公式（4）即可求出，进而求出蜿蜒指数；
步骤二、将步骤一中求得的、N代入位移节点公式（5）中可求出位移节点：
（5）
步骤三、将步骤一中求得的N代入放大系数公式（6）中可求出计算放大系数为：
（6）
步骤四、设为应变极大点，根据步骤一求得的蜿蜒指数和，按公式（7）可得到形状因数为：
（7）
步骤五、运用模拟软件依据步骤一至步骤一四中给定的数据和计算的结果进行数值模拟，对空心超声变幅杆的设计进行优化。
附图说明
图1是一种空心指数型变幅杆的设计的示意图；
图2是空心直径为20mm的指数型变幅杆模拟结果图中的总位移云图；
图3是空心直径为20mm的指数型变幅杆模拟结果图中的位移矢量云图；
图4是实心指数型变幅杆模拟结果图中的总位移云图；
图5是实心指数型变幅杆模拟结果图中的位移矢量云图。
实施例：
下面结合实施例对具体实施方式做进一步的说明，参见附图1，给定=88mm，=20mm，=20kHz，材料选择45号钢，则= mm/s，取一个波长，即=260mm，公式（2）至公式（4），求得=22mm，=159.4mm，N=9.03，=0.0174，进而求得=0.0138。
将求得的、N代入位移节点公式（5）中，求得位移节点=48.4mm。
将求得的N代入放大系数公式（6）中，求得计算放大系数=9.03。
根据求得的和，按公式（7）可求得形状因数=1.423。
用模拟软件依据上述给定的数据和求得的结果进行数值模拟，模拟结果见附图2和附图3，从附图2中可看到空心指数型变幅杆的模拟放大系数为4.5，从附图3中可看到空心指数型变幅杆的波的轴向性较好。
对照例：
为了与实心指数型变幅杆的模拟放大倍数作比较，选取同样材质的45号钢，实心指数型变幅杆的设计尺寸均与实施例的设计尺寸相同，但变幅杆为实心结构，按照具体实施方式的步骤一至步骤五进行，所得模拟结果见附图4和附图5，从附图4中可看到实心指数型变幅杆的模拟放大系数为1.8，实施例与对照例的对比结果下表所示：
从表中可以看出，空心指数型变幅杆的模拟放大系数为实心指数型变幅杆的模拟放大系数的2.5倍，远优于实心指数型变幅杆。此外，对比附图3和附图5可看出空心指数型变幅杆的波的轴向性比实心指数型变幅杆的波的轴向性好很多。
Claims (1)
1.一种空心指数型超声变幅杆的设计方法，其特征在于，一种空心指数型超声变幅杆的设计方法，它是按以下步骤实现的：
步骤一、变幅杆的母线选为指数型，设变幅杆大端面面积为，小端面面积为，圆柱形空心部分内圆面积为，为变幅杆的大端端面直径，为变幅杆的小端端面直径，为变幅杆的空心直径，振动频率为，纵波波速为；
指数型空心变幅杆可以类比成实心指数型变幅杆，所以空心指数型变幅杆的面积函数为：
（1）
式（1）中和为蜿蜒指数，且
（2）
式（2）中N为面积系数，为谐振长度，且
（3）
空心指数型变幅杆的直径函数为：
（4）
在已知时，联立公式（2）至公式（4）即可求出、，进而求出蜿蜒指数；
步骤二、将步骤一中求得的、N代入位移节点公式（5）中可求出位移节点：
（5）
步骤三、将步骤一中求得的N代入放大系数公式（6）中可求出计算放大系数为：
（6）
步骤四、设为应变极大点，根据步骤一求得的蜿蜒指数和，按公式（7）可得到形状因数为：
（7）
步骤五、运用模拟软件依据步骤一至步骤一四中给定的数据和计算的结果进行数值模拟，对空心超声变幅杆的设计进行优化。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610663349.2A CN106563634B (zh) | 2016-08-15 | 2016-08-15 | 一种空心指数型超声变幅杆的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610663349.2A CN106563634B (zh) | 2016-08-15 | 2016-08-15 | 一种空心指数型超声变幅杆的设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106563634A true CN106563634A (zh) | 2017-04-19 |
| CN106563634B CN106563634B (zh) | 2019-03-22 |
Family
ID=58532306
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610663349.2A Expired - Fee Related CN106563634B (zh) | 2016-08-15 | 2016-08-15 | 一种空心指数型超声变幅杆的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106563634B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114102275A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-03-01 | 南京航空航天大学 | 一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置及其运行工艺 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5548175A (en) * | 1989-06-05 | 1996-08-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Vibration driven motor |
| CN103691656A (zh) * | 2013-12-18 | 2014-04-02 | 北京航空航天大学 | 一种可快速更换刀具的超声变幅杆 |
-
2016
- 2016-08-15 CN CN201610663349.2A patent/CN106563634B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5548175A (en) * | 1989-06-05 | 1996-08-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Vibration driven motor |
| CN103691656A (zh) * | 2013-12-18 | 2014-04-02 | 北京航空航天大学 | 一种可快速更换刀具的超声变幅杆 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 汪彦军，李松松，迟建卫: "空心变截面杆的等效网络", 《声学技术》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114102275A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-03-01 | 南京航空航天大学 | 一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置及其运行工艺 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106563634B (zh) | 2019-03-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107398784B (zh) | 单激励使砂轮产生径-扭复合振动的超声磨削方法及系统 | |
| CN107297317B (zh) | 实现单激励纵-扭复合超声振动的一体式转换方法及装置 | |
| CN106557622B (zh) | 一种大尺寸环形圆锥型超声变幅杆的设计方法 | |
| CN104601036B (zh) | 哑铃式大功率纵扭复合超声振动装置 | |
| CN107243446A (zh) | 一种大功率多级阶梯型变幅杆 | |
| CN106563634A (zh) | 一种空心指数型超声变幅杆的设计方法 | |
| CN206966068U (zh) | 一种大功率多级阶梯型变幅杆 | |
| CN109582984A (zh) | 一种空心抛物线型变幅杆的设计方法 | |
| CN104028867A (zh) | 一种超声电火花加工装置的压电振子 | |
| CN204183440U (zh) | 大运载火箭舱段多台激励振动试验夹具 | |
| CN108536963A (zh) | 一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法 | |
| CN104785430B (zh) | 输出端轴向开孔的悬链线形超声纵振动变幅杆 | |
| Kodali et al. | Fpga implementation of 160-bit vedic multiplier | |
| CN103801502A (zh) | 超声圆管换能器 | |
| CN109732286A (zh) | 大口径整体式薄型密封环垫加工方法 | |
| CN203976885U (zh) | 非晶合金变压器铁芯去应力装置 | |
| Mahyuddin et al. | Bödewadt flow and heat transfer in nanofluid over a permeable and radially stretching disk | |
| CN109101673A (zh) | 高频变压器磁芯损耗计算方法 | |
| CN104632308B (zh) | 基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置 | |
| CN106041797B (zh) | 一种热缩模具 | |
| CN110287617B (zh) | 一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法 | |
| CN204004288U (zh) | 一种用于新型谐波减速器的柔轮结构 | |
| CN201599251U (zh) | 一种轴流散热风扇 | |
| Sunder Raj | Last stage performance considerations in low-pressure turbines of power plants: A case study | |
| Niu et al. | Reduction of turbine blade unsteady forces by shape modification of vanes for industrial gas turbines |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190322 |