CN112858010A - 一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置及其设计方法与应用 - Google Patents

一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置及其设计方法与应用 Download PDF

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赵正彩
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Abstract

本发明涉及一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置及其设计方法与应用，该装置主要包括上固定夹头、上拉伸固定支撑结构、超声谐振结构、下拉伸固定支撑结构和下固定夹头；拉伸试样的两端分别通过螺纹与两个变幅杆的小端连接，两个变幅杆的圆锥形部分分别固定于上、下拉伸固定支撑结构，与上拉伸固定支撑结构的底板固定的变幅杆连接至压电陶瓷换能器；变幅杆和拉伸试样分别进行半波长谐振设计，然后按照变幅杆‑拉伸试样‑变幅杆的空间结构顺序装配在一起，使其谐振频率与压电陶瓷换能器的激励频率一致，利用该装置可以实现特定频率和振幅下的超声振动拉伸试验。

Description

一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置及其设计方 法与应用
技术领域
本发明属于金属材料的力学性能测试领域，具体涉及一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置及其设计方法。
技术背景
钛合金、高温合金以及金属基复合材料等由于高强度、高刚度、耐高温等特点，被广泛应用于航空、航天等领域。但是优异的物理力学性能使得这些材料成为典型的高强韧难加工材料，同时也给传统机械加工(车削、铣削、磨削等)带来了巨大的挑战。超声振动辅助加工是在传统机械加工的基础上，对工件或刀具施加超声频振动，从而实现材料去除的复合加工方法。在合适的加工参数条件下，超声振动辅助加工可以减小切削力、降低切削温度、提高材料去除效率和加工表面质量，同时延长刀具使用寿命。
超声振动辅助加工在难加工材料的加工方面得到了广泛的应用，但是超声振动条件下的加工机理仍然有待继续探索。研究表明，在对工件施加超声振动过程中，材料的力学特性会发生变化，如发生超声软化效应、超声硬化效应，进而影响材料的去除机理。因此有必要进行超声振动拉伸试验，研究材料的力学特性，从而为阐明超声振动辅助加工机理奠定基础。
目前，一些超声振动拉伸装置得到了一定程度的应用。发明专利(CN108613871A)公布了一种超声波辅助拉伸的装置和方法，该装置可对材料进行单向或双向拉伸试验，但是拉伸试样为两头大中间小的阶梯状结构，在过渡处存在应力集中，可能会影响拉伸试样的断裂位置，进而影响试验结果。发明专利(CN109738325A)公布了一种超声辅助拉伸试验机及试验方法，利用该试验机可进行超声振动拉伸试验，该装置也忽略了拉伸试样的影响。这些装置在设计时，并未考虑拉伸试样对超声振动声学系统谐振频率的影响，当不谐振的拉伸试样被固定在装置上，装置的整体谐振频率会发生变化，不仅不利于研究特定频率对材料力学特性的影响，而且会影响装置的性能。
发明内容
针对上述超声振动拉伸装置技术的不足，本发明提供了一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置及其设计方法与应用，该装置结构简单，设计方法计算方便，能够实现特定频率和振幅超声振动条件下材料力学性能测试。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，包括上固定夹头、上拉伸固定支撑结构、超声谐振结构、下拉伸固定支撑结构和下固定夹头；
上、下拉伸固定支撑结构均由顶板、拉杆和底板组成，顶板与底板借助4根拉杆连接四个角而固定，上拉伸固定支撑结构的底板、下拉伸固定支撑结构的顶板中央均设有带凹台的通孔用于固定变幅杆；
超声谐振结构主要包括压电陶瓷换能器、两个结构相同的变幅杆和拉伸试样，其空间结构排列顺序为压电陶瓷换能器-变幅杆-拉伸试样-变幅杆。
变幅杆为大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆，两端设有螺纹孔，中部设有法兰，法兰圆周均布4个通孔，其谐振频率与压电陶瓷换能器的谐振频率一致。变幅杆的数量为2，分别通过法兰固定在上、下拉伸固定支撑结构底板通孔的凹台。
拉伸试样的两端分别通过螺纹与两个变幅杆的小端连接，两个变幅杆的圆锥形部分分别穿过上、下拉伸固定支撑结构的底板通孔后借助法兰固定在凹台，与上拉伸固定支撑结构的底板固定的变幅杆连接至压电陶瓷换能器。
拉伸试样为哑铃形，两端直径相同且大于中部，两端有螺纹，其标距段的尺寸符合国家标准，整体尺寸满足半波长谐振条件，谐振频率与压电陶瓷换能器的谐振频率一致。拉伸试样两端螺纹分别连接两个变幅杆的小端。
所述顶板、底板尺寸相同，中心点位于同一轴线；用于固定上拉伸固定支撑结构的拉杆长度大于用于固定下拉伸固定支撑结构的拉杆长度；该拉杆为中间粗、两端细的阶梯杆结构，中间为光杆，光杆上靠近一端的位置有对称分布的平面。拉杆两端设有螺纹，通过螺纹、螺母分别固定在顶板与底板。
超声谐振结构的设计包括如下设计步骤，
(1)确定谐振频率
根据压电陶瓷换能器的激励频率范围确定超声谐振结构的整体谐振频率。
(2)计算拉伸试样尺寸
哑铃形拉伸试样为对称结构，可以按其一半结构尺寸，即按照中间具有圆弧过渡的阶梯形结构进行计算，在纵向波动方程(式1)的基础上，以阶梯形结构小端的位移为零，应力最大，大端的位移最大，应力为零为边界条件，推导出具有一半拉伸试样尺寸的频率方程(式2)；
均质杆的纵向波动方程为：
Figure BDA0002986759970000031
式中：A为杆的横截面积函数，ρ是杆的密度，u为质点位移函数，σ为应力函数。
哑铃形拉伸试样为对称结构，按其一半结构尺寸参数计算，图10是哑铃形拉伸试样的尺寸图，边界条件满足：
Figure BDA0002986759970000041
式中，a为超声振福，σmax为最大应力。
拉伸试样的谐振频率方程为：
Figure BDA0002986759970000042
式中：k是圆波数，b和β是与试样轮廓有关的参数，具体可参考硕士学位论文《超声振动拉伸高体分SiCp/Al复合材料力学特性研究》；
圆弧过渡段的半径r1和长度x2和满足：
Figure BDA0002986759970000043
Figure BDA0002986759970000044
频率参数按照步骤(1)中的谐振频率，小端的外径和长度、大端的外径均按国标要求选择，通过频率方程式2计算出大端的长度，通过式3和式4计算出过渡段的半径和长度，进而得到哑铃形拉伸试样的整体尺寸；
(3)计算变幅杆尺寸
由式1的纵向波动方程推导出半波长谐振、大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆的频率方程如下：
Figure BDA0002986759970000045
式中，L1是圆柱段的长度，L2是圆锥段的长度，N＝D/d，D是大端的外径，d是小端的外径。
根据压电陶瓷换能器输出端的直径和拉伸试样的大端外径分别确定大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆的大端直径和小端直径，通过式5进而计算出圆柱段长度和圆锥段长度，再利用ANSYS软件中模态分析确定振动节点的位置和法兰的尺寸。
(4)变幅杆-拉伸试样-变幅杆装配体的仿真分析与修正
依据步骤(2)和(3)的设计尺寸，分别建立大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆和拉伸试样的三维模型，将其按照变幅杆-拉伸试样-变幅杆的顺序装配，并将装配体导入ANSYS进行模态分析，获取仿真谐振频率，计算仿真谐振频率与步骤(1)谐振频率的误差，使误差小于3％。若误差较大，可用ANSYS仿真软件对装配体中变幅杆的长度进行修正，从而满足误差要求。
该装置主要与电子万能试验机配合完成超声拉伸试验，将上、下固定夹头与电子万能试验机的上、下横梁分别连接，将超声电源与换能器连接，开启电子万能试验机，当拉伸材料的变形进入塑性阶段时，再开启超声电源，调节电源的输出频率与谐振频率一致，通过调节电源输出功率，可以控制振幅的大小，一段时间之后，关闭超声电源，当材料拉伸断裂之后，再关闭电子万能试验机从而完成超声振动拉伸试验，获取应力应变曲线。
综上所述，本发明结构简单，稳定性好，制作和拆装方便，设计方法可行性高，计算步骤简单，便于研究超声振动对材料拉伸力学性能的影响。
附图说明
图1是本发明基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置的整体结构示意图；
图2是图1中上固定夹头的结构示意图；
图3是图1中下固定夹头的结构示意图；
图4是图1中顶板结构示意图；
图5是图1中底板结构示意图；
图6是图1中长拉杆结构示意图；
图7是图1中短拉杆结构示意图；
图8是图1中变幅杆结构示意图；
图9是图1中拉伸试样结构示意图；
图10是实施例2中拉伸试样的部分尺寸图；
图11是实施例2中变幅杆的部分尺寸图；
图12是实施例2中变幅杆谐振模态云图；
图13实施例2中装配体的谐振模态云图；
图14实施例2中装配体尺寸修正后的的谐振模态云图；
图15GH4169的超声振动拉伸应力应变曲线。
主要附图标记的说明：上固定夹头-1，顶板-2、2-1，长拉杆-3，压电陶瓷换能器-4，变幅杆-5，底板-6、6-1，拉伸试样-7，短拉杆-8，下固定夹头-9。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图具体说明本发明的技术方案。
图1是基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置的整体结构示意图，该装置主要包括上固定夹头1、上拉伸固定支撑结构、超声谐振结构、下拉伸固定支撑结构和下固定夹头9；超声谐振结构固定在上、下拉伸固定支撑结构之间，上下分别固定在上、下拉伸固定支撑结构。
图2和图3分别是上固定夹头1和下固定夹头9的结构示意图。图4是图1中顶板结构示意图；图5是图1中底板结构示意图；图6是图1中长拉杆结构示意图；图7是图1中短拉杆结构示意图。
上拉伸固定支撑结构由顶板2、长拉杆3和底板6组成，顶板2为正方形，中心位置有螺纹通孔12便于固定上固定夹头1，距离四个角相同尺寸的位置处均有螺纹通孔13；底板6的外形尺寸与顶板2相同，中心位置有带凹台的通孔14便于变幅杆穿过后卡接固定，凹台的圆周均布4个螺纹孔，底板6在与顶板2顶点螺纹通孔13相同位置处有通孔15；长拉杆3为中间粗、两端细的阶梯杆结构，中间为光杆18，光杆上有对称分布的平面17，两端位置有螺纹，一端通过螺纹16与顶板2的螺纹通孔13连接，另一端螺纹19通过螺母固定在底板6上，数量为4，上固定夹头1通过螺纹10与顶板的中心螺纹孔12连接。
下拉伸固定支撑结构与上拉伸固定支撑结构接近，由顶板2-1、短拉杆8和底板6-1组成，区别在于，用于连接顶板2-1和底板6-1的短拉杆8比长拉杆3短，下固定夹头9通过螺纹11与顶板2-1的中心螺纹孔12连接。
超声谐振结构主要包括压电陶瓷换能器4、两个结构相同的变幅杆5和拉伸试样7，其空间结构排列顺序为压电陶瓷换能器4-变幅杆5-拉伸试样5-变幅杆5，压电陶瓷换能器4与变幅杆5通过双头螺柱连接。
图8是变幅杆结构示意图。参照图8所示，超声谐振结构的变幅杆5为大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆，在圆柱段外周有对称分布的平面，两端截面中心位置均有螺纹孔，中间设有法兰21，法兰21圆周均布4个通孔，其谐振频率与压电陶瓷换能器4的谐振频率一致。变幅杆的数量为2，一个变幅杆通过法兰21固定在上拉伸固定支撑结构底板6的凹台位置，另一个变幅杆通过法兰21固定在下拉伸固定支撑结构底板6-1的凹台位置。
图9是图1中拉伸试样结构示意图；图10是实施例2中拉伸试样的部分尺寸图。拉伸试样7为哑铃形，两端均有螺纹22，其标距段23的尺寸符合国家标准，整体尺寸满足半波长谐振条件，谐振频率与压电陶瓷换能器1的谐振频率一致，拉伸试样7两端的螺纹22分别连接两个变幅杆5的小端。
整体上，拉伸试样7的两端分别通过螺纹与两个变幅杆5的小端连接，两个变幅杆5的圆锥形部分分别穿过上、下拉伸固定支撑结构的底板6、6-1的通孔后借助法兰固定在凹台，与上拉伸固定支撑结构的底板固定的变幅杆连接至压电陶瓷换能器4。
超声谐振结构的设计包括如下设计步骤，
(1)确定谐振频率
根据压电陶瓷换能器4的激励频率范围确定超声谐振结构的整体谐振频率。
(2)计算拉伸试样尺寸
哑铃形拉伸试样7为对称结构，可以按其一半结构尺寸，即按照中间具有圆弧过渡的阶梯形结构进行计算，在纵向波动方程基础上，以阶梯形结构小端的位移为零，应力最大，大端的位移最大，应力为零为边界条件，推导出具有一半拉伸试样尺寸的频率方程；频率参数按照步骤(1)中的谐振频率，小端的外径和长度、大端的外径均按国标要求选择，通过频率方程计算出大端的长度，圆弧过渡段长度和圆弧半径通过理论计算，进而得到哑铃形拉伸试样7的整体尺寸。
(3)计算变幅杆尺寸
由纵向波动方程推导出半波长谐振、大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆5的频率方程，根据压电陶瓷换能器4输出端的直径和拉伸试样7的大端外径分别确定大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆5的大端直径和小端直径，进而计算出圆柱段长度和圆锥段长度，再利用ANSYS软件中模态分析确定振动节点的位置和法兰21的尺寸。
(4)变幅杆-拉伸试样-变幅杆装配体的仿真分析与修正
依据步骤(2)和(3)的设计尺寸，分别建立大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆5和拉伸试样7的三维模型，将其按照变幅杆5-拉伸试样7-变幅杆5的顺序装配，并对装配体进行模态分析，获取仿真谐振频率，计算仿真谐振频率与步骤(1)谐振频率的误差，使误差小于3％。若误差较大，可用ANSYS仿真软件对装配体中变幅杆5的长度进行修正，从而满足误差要求。
实施例1
超声谐振结构的设计步骤具体如下：
(1)确定谐振频率
利用阻抗分析仪测量压电陶瓷换能器的谐振频率，假设为20kHz。
(2)计算拉伸试样的尺寸
均质杆的纵向波动方程为：
Figure BDA0002986759970000091
式中：A为杆的横截面积函数，ρ是杆的密度，u为质点位移函数，σ为应力函数。
哑铃形拉伸试样为对称结构，按其一半结构尺寸参数计算，图10是哑铃形拉伸试样的尺寸图，边界条件满足：
Figure BDA0002986759970000092
式中，a为超声振福，σmax为最大应力。
拉伸试样的谐振频率方程为：
Figure BDA0002986759970000101
式中：k是圆波数，b和β是与试样轮廓有关的参数，具体可参考硕士学位论文《超声振动拉伸高体分SiCp/Al复合材料力学特性研究》。
哑铃形拉伸试样x1＝15mm，r＝3mm和R＝5mm可按照国标选择，进而过渡段圆弧半径r1和长度x2满足
Figure BDA0002986759970000102
Figure BDA0002986759970000103
拉伸试样的材料选为GH4169，由上述分析计算可知哑铃形拉伸试样的尺寸r＝3mm，R＝5mm，r1＝12.1mm，x1＝15mm，x2＝6.7mm和x3＝21.7mm。
(3)计算变幅杆的尺寸
由均质杆的波动方程可得大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆的频率方程如下：
Figure BDA0002986759970000104
式中，L1是圆柱段的长度，L2是圆锥段的长度，N＝D/d，D是大端的外径，d是小端的外径。
大端的外径根据压电陶瓷换能器的输出端尺寸确定，此处设为D＝50mm，小端直径根据哑铃形拉伸试样的R尺寸值确定，此处设为d＝20mm。变幅杆材料选择316L不锈钢，由此计算可得L1＝60.7mm，L2＝90mm。然后利用ANSYS进行模态分析，确定节点位置和法兰尺寸，图12是大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆在20kHz左右的模态，此时节点位于圆柱段和圆锥段连接处，法兰的厚度为6mm，直径为70mm。
(4)变幅杆-拉伸试样-变幅杆装配体的仿真分析与修正
按照步骤2和3中计算尺寸，对哑铃形拉伸试样和大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆进行三维建模，装配后导入ANSYS进行模态分析，得到的装配体的谐振频率为20746Hz，如图13所示，与理论谐振频率误差为3.73％，因此需要利用ANSYS软件对大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆的长度进行修正，最终得到L1＝62.3mm，L2＝90mm，谐振频率为20076Hz，如图14所示，频率误差仅为0.38％，满足设计要求。
按照上述尺寸完成实物加工与装配后，进行GH4169超声振动拉伸试验，试验结果如图15所示，在施加超声振动阶段，材料的应力出现了明显的下降趋势，下降了大约30MPa，一方面表明超声振动拉伸试验装置的性能良好，另一方面表明材料发生了超声软化。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，包括上固定夹头、上拉伸固定支撑结构、超声谐振结构、下拉伸固定支撑结构和下固定夹头；
超声谐振结构主要包括压电陶瓷换能器、两个结构相同的变幅杆和拉伸试样，其空间结构排列顺序为压电陶瓷换能器-变幅杆-拉伸试样-变幅杆；拉伸试样的两端分别通过螺纹与两个变幅杆的小端连接，两个变幅杆的圆锥形部分分别固定于上、下拉伸固定支撑结构，与上拉伸固定支撑结构的底板固定的变幅杆连接至压电陶瓷换能器；
上、下固定夹头分别固定于上、下拉伸固定支撑结构的两端部。
2.根据权利要求1所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，上、下拉伸固定支撑结构均由顶板、拉杆和底板组成，顶板与底板借助4根拉杆连接四个角而固定，上拉伸固定支撑结构的底板、下拉伸固定支撑结构的顶板中央均设有带凹台的通孔用于固定变幅杆。
3.根据权利要求2所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，变幅杆为大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆，两端设有螺纹孔，中部设有法兰，法兰圆周均布用于固定在顶板凹台的通孔，其谐振频率与压电陶瓷换能器的谐振频率一致。
4.根据权利要求2所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，拉伸试样为哑铃形，两端直径相同且大于中部，两端有螺纹，其标距段的尺寸符合国家标准，整体尺寸满足半波长谐振条件，谐振频率与压电陶瓷换能器的谐振频率一致；拉伸试样两端螺纹分别连接两个变幅杆的小端。
5.根据权利要求2所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，所述顶板、底板尺寸相同，中心点位于同一轴线；用于固定上拉伸固定支撑结构的拉杆长度大于用于固定下拉伸固定支撑结构的拉杆长度；该拉杆为中间粗、两端细的阶梯杆结构，中间为光杆，光杆上靠近一端的位置有对称分布的平面；拉杆两端设有螺纹，通过螺纹、螺母分别固定在顶板与底板。
6.权利要求1所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定谐振频率
根据压电陶瓷换能器的激励频率范围确定超声谐振结构的整体谐振频率。
(2)计算拉伸试样尺寸
哑铃形拉伸试样为对称结构，可以按其一半结构尺寸，即按照中间具有圆弧过渡的阶梯形结构进行计算，在纵向波动方程(式1)的基础上，以阶梯形结构小端的位移为零，应力最大，大端的位移最大，应力为零为边界条件，推导出具有一半拉伸试样尺寸的频率方程(式2)；
均质杆的纵向波动方程为：
Figure FDA0002986759960000021
式中：A为杆的横截面积函数，ρ是杆的密度，u为质点位移函数，σ为应力函数；
哑铃形拉伸试样为对称结构，按其一半结构尺寸参数计算，图10是哑铃形拉伸试样的尺寸图，边界条件满足：
Figure FDA0002986759960000022
式中，a为超声振福，σmax为最大应力；
拉伸试样的谐振频率方程为：
Figure FDA0002986759960000031
式中：k是圆波数，b和β是与试样轮廓有关的参数，具体可参考硕士学位论文《超声振动拉伸高体分SiCp/Al复合材料力学特性研究》；
圆弧过渡段的半径r1和长度x2和满足：
Figure FDA0002986759960000032
Figure FDA0002986759960000033
频率参数按照步骤(1)中的谐振频率，小端的外径和长度、大端的外径均按国标要求选择，通过频率方程式2计算出大端的长度，通过式3和式4计算出过渡段的半径和长度，进而得到哑铃形拉伸试样的整体尺寸；
(3)计算变幅杆尺寸
由式1的纵向波动方程推导出半波长谐振、大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆的频率方程如下：
Figure FDA0002986759960000034
式中，L1是圆柱段的长度，L2是圆锥段的长度，N＝D/d，D是大端的外径，d是小端的外径；
根据压电陶瓷换能器输出端的直径和拉伸试样的大端外径分别确定大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆的大端直径和小端直径，通过式5进而计算出圆柱段长度和圆锥段长度，再利用ANSYS软件中模态分析确定振动节点的位置和法兰的尺寸；
(4)变幅杆-拉伸试样-变幅杆装配体的仿真分析与修正
依据步骤(2)和(3)的设计尺寸，分别建立大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆和拉伸试样的三维模型，将其按照变幅杆-拉伸试样-变幅杆的顺序装配，并将其装配体导入ANSYS进行模态分析，获取仿真谐振频率，计算仿真谐振频率与步骤(1)谐振频率的误差，使误差小于3％；若误差较大，可用ANSYS仿真软件对装配体中变幅杆的长度进行修正，从而满足误差要求。
7.权利要求1所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置的应用方法，其特征在于，该装置与电子万能试验机配合完成超声拉伸试验，使用前将上、下固定夹头与电子万能试验机的上、下横梁分别连接，将超声电源与换能器连接；开启电子万能试验机，当拉伸试样的变形进入塑性阶段时，再开启超声电源，调节电源的输出频率与谐振频率一致，通过调节电源输出功率，控制振幅的大小，施加完毕后，关闭超声电源，当试样拉伸断裂之后，再关闭电子万能试验机从而完成超声振动拉伸试验，获取应力应变曲线。
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