[发明专利]基于声场模式的功率超声珩磨谐振系统优化方法

说明书

技术领域

本发明专利所属超声珩磨技术领域，特别涉及到一种利用超声场分析下的功率超声珩磨谐振系统的优化设计新方法。

技技术背景

功率超声珩磨是在普通珩磨的基础上施加了功率超声振动，具有加工效率高、表面质量高、切削力小等优势。功率超声珩磨振动系统主要由换能器、变幅杆和谐振系统组成。功率超声珩磨加工技术的关键环节是谐振系统的设计，当前存在的主要问题是在超声频率范围内难以获得其稳定的谐振状态，难以实现能量利用的最大化，所以在一定程度上制约了该技术的发展。常规的设计方法（华北电力大学学报 (1998) 25:53-59，顾煜炯等；华北工学院学报(1998)19:168-170，吴秀玲等）是在设计过程中先假定超声振动系统的工作频率，即在确定了换能器的输出频率和结构尺寸后，再确定系统的其余部分频率，然后试验测量，重新对谐振系统的设计进行优化。这种方法的缺点是需要反复计算，效率较低，且计算结果误差较大。还有一种是计算机仿真技术方法(机械设计与制造(2010)2:19-21，廖云飞等；制造技术与机床(2002)8:23-25，彭彬彬等)。先对谐振系统进行模态分析，确定谐振系统的自振频率和相应的振型，再对谐振系统进行动力响应分析，得出谐振系统的振幅分布。该方法的主要缺点是虽然解决了常规设计方法中反复计算的问题，但由于谐振系统的振幅很小，一般在10~20μm左右，计算和实验测量中的误差会导致自振频率计算精度不高，无法获得稳定的谐振频率。

发明内容

本发明目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种将超声场引入谐振系统的优化中，可以快速、准确的确定自振频率范围，优化功率超声珩磨谐振系统设计的基于声场模式的功率超声珩磨谐振系统优化方法。

本本发明通过引入超声场用于功率超声珩磨谐振系统优化方法，包括以下步骤： 

（1）简化功率超声珩磨谐振系统的物理模型；功率超声珩磨谐振系统包括弯曲振动圆盘、挠性杆、油石座和油石条；挠性杆一端沿着圆周方向均布地焊接在弯曲振动圆盘上，挠性杆另一端焊接在独立的油石座上，油石座位于缸套内，油石条粘结在油石座外侧，油石条直接与缸套内表面接触；缸套内有起冷却作用的切削液；将谐振系统——切削液——缸套内表面物理模型等效为谐振系统——流体介质——刚性圆形吸收边界的耦合超声场模型；

（2）建立功率超声珩磨谐振系统的有限元模型，包括以下几步：

1） 建立谐振系统的超声场有限元几何模型：按照简化的谐振系统的物理模型，采用ANSYS/Multiphysics的分析模块，在ANSYS主菜单中，选择Preprocessor>modeling中的Boolean运算，建立谐振系统的超声场几何模型；

2）设置谐振系统的单元类型：从ANSYS主菜单中选择Preprocessor>Element Type，谐振系统使用ANSYS单元类型库中的平面PLANE42单元；谐振系统与流体介质的耦合部分使用ANSYS单元类型库中的包含结构自由度的FLIUD29单元，对于只存在流体介质的区域，使用不包含结构自由度的ANSYS单元类型库中的FLIUD29单元，建立刚性圆形吸收边界使用ANSYS单元类型库中的FLIUD129单元；

3）定义谐振系统的材料属性：从ANSYS主菜单中选择Preprocessor>Material Props，从中选择材料属性对话框，分别输入谐振系统弹性模量、密度、泊松比；输入流体介质的密度和超声传播的声速；

4） 网格划分：从ANSYS主菜单中选择Preprocessor>Meshing>MeshTool，在MeshTool中选择映射网格划分；

5）在谐振系统和流体介质的边界即油石座边界面上施加流——固耦合标志：从ANSYS主菜单中选择Preprocessor>Loads，从中选择流—固耦合对话框，单击选择油石座边界面上全部节点，施加流——固耦合标志；

6）谐振系统有限元模型求解：设定分析类型为谐响应分析，频率范围为16~21.85kHz，每隔0.65kHz取一阶频率，载荷步取为十步，在油石座表面施加10μm超声振幅，在ANSYS主菜单中选择Solution，进行求解；