[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

摘要

一种基于声场模式的功率超声珩磨谐振系统优化方法，目的是快速、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；本方法先简化功率超声珩磨谐振系统的物理模型；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；再建立功率超声珩磨谐振系统的有限元模型；确定谐振系统的谐振频率范围；从ANSYS主菜单中进入后处理器TimeHist Postpro中，读取声场分析的压力云图结果，确定谐振系统的声场分布情况和油石表面正负压值；在谐振频率范围内对谐振系统进行仿真分析，获取最优谐振频率；对谐振系统确定的谐振频率范围内再次进行有限元声场分析，通过对比分析得出谐振系统的最优谐振频率。

主权项

一种基于声场模式的功率超声珩磨谐振系统优化方法，其特征是： （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：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；（3）确定谐振系统的谐振频率范围；从ANSYS主菜单中进入后处理器TimeHist Postpro中，读取声场分析的压力云图结果，确定谐振系统的声场分布情况和油石表面正负压值，寻找声场均匀分布在油石座及油石的外轮廓线上，且油石表面出现声压集中和正负压差较小的压力云图；由此压力云图对应的超声频率来确定谐振系统的谐振频率范围；（4）在谐振频率范围内对谐振系统进行仿真分析，获取最优谐振频率；对谐振系统在步骤（3）确定的谐振频率范围内再次进行有限元声场分析，分析步骤同(2)、(3)；通过对比分析得出谐振系统的最优谐振频率。