基于等效電路法復(fù)合變幅桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鞏建輝，喻剛強(qiáng)，姚 靜，嚴(yán)碧歌

(1.商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710062)

0 引言

變幅桿具有振幅放大作用，是超聲加工系統(tǒng)中的重要部件，隨著超聲系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，對(duì)變幅桿的放大倍數(shù)及性能指標(biāo)要求越來(lái)越高，單一變幅桿因?yàn)榉糯笙禂?shù)有限不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，所以從單一變幅桿發(fā)展到了復(fù)合變幅桿。為了獲得性能優(yōu)良的變幅桿，廣大學(xué)者對(duì)新型變幅桿的設(shè)計(jì)和研究從未停止，趙洪博等[1]利用替代法設(shè)計(jì)了寬端接圓柱桿的懸鏈形復(fù)合變幅桿；靳濤等[2]將圓柱和圓錐桿進(jìn)行組合，對(duì)圓錐復(fù)合變幅桿進(jìn)行了研究；崔曉娟等[3]將指數(shù)桿和圓錐桿進(jìn)行組合，對(duì)指數(shù)復(fù)合變幅桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；孫濤等[4]設(shè)計(jì)了正弦圓柱形復(fù)合變幅桿，該變幅桿的放大倍數(shù)和形狀因數(shù)皆優(yōu)于階梯形變幅桿。本文采用等效電路法設(shè)計(jì)了一種半波長(zhǎng)復(fù)合變幅桿，即指數(shù)懸鏈線形復(fù)合變幅桿，得出了該變幅桿的頻率方程以及放大倍數(shù)，并對(duì)變幅桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析。

1 變幅桿的模型構(gòu)建

該復(fù)合型變幅桿由指數(shù)桿Ⅰ和懸鏈線桿Ⅱ組合而成，如圖1所示。指數(shù)桿的長(zhǎng)度為l1，大小端面的面積分別為S1和S，大小端面的半徑分別為R1和R。懸鏈線桿的長(zhǎng)度為l2，大小端面的面積分別為S和S2，大小端面的半徑分別為R和R2。

圖1 指數(shù)懸鏈線形復(fù)合變幅桿模型

2 變幅桿的設(shè)計(jì)理論

2.1 等效電路法

變幅桿常用的設(shè)計(jì)方法有解析法、等效電路法、替代法、傳輸矩陣法、分段趨近法和表觀彈性法等[5]，其中等效電路法設(shè)計(jì)思路清晰、物理意義明確，故采用等效電路法對(duì)指數(shù)懸鏈線形復(fù)合變幅桿進(jìn)行理論分析。所謂等效電路法就是對(duì)于任何一個(gè)單一形狀的變幅桿，通過(guò)力電類比都可以等效為一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)電路模型，如圖2所示[6]。圖2中，F(xiàn)1和F2是變幅桿兩端所受的力，相當(dāng)于電路中的電壓；v1和v2為變幅桿兩端的振速，相當(dāng)于電路中的電流；Z1、Z2和Z3為力阻抗，相當(dāng)于電路中電阻抗。

圖2 等效四端網(wǎng)絡(luò)電路模型

2.2 復(fù)合變幅桿的等效電路

依據(jù)等效電路法理論，分別得出復(fù)合變幅桿左邊指數(shù)桿和右邊懸鏈線桿的等效四端網(wǎng)絡(luò)電路并連接在一起，可以得到復(fù)合變幅桿的等效電路如圖3所示。由于變幅桿振動(dòng)速度連續(xù)，所以有v12=v21。

圖3 復(fù)合變幅桿等效電路模型

左邊指數(shù)桿等效電路參數(shù)為：

(1)

(2)

(3)

右邊懸鏈線桿等效電路參數(shù)為:

(4)

(5)

(6)

2.3 復(fù)合變幅桿的參數(shù)求解

當(dāng)變幅桿兩端自由時(shí)，復(fù)合變幅桿等效電路圖3中F1=F2=0，輸入端AB和輸出端CD可視為短路，依據(jù)基爾霍夫回路電壓定律(KVL)可得以下表達(dá)式。

回路Ⅰ：

v11(Z11+Z13)-v12Z13=0

(7)

回路Ⅱ：

-v11Z13+v12(Z13+Z12+Z21+Z23)-

v22Z23=0

(8)

回路Ⅲ：

-v12Z23+v22(Z23+Z22)=0

(9)

將式(7)的v11和式(9)的v22代入式(8)可得到復(fù)合變幅桿的頻率方程為

(10)

由式(7)和式(9)消去v12,并代入相應(yīng)的力阻抗可以得出復(fù)合變幅桿的放大系數(shù)為

(11)

3 復(fù)合變幅桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

該復(fù)合形變幅桿選用45號(hào)鋼，材料密度ρ=7.81×103kg/m3，楊氏模量E=20.92×1010N/m2，泊松比μ=0.28，聲速c=5 169 m/s,設(shè)計(jì)頻率f=20 kHz，指數(shù)桿Ⅰ左側(cè)端面的半徑R1=26 mm，指數(shù)桿Ⅰ和懸鏈線桿Ⅱ交界面的半徑R=16 mm，懸鏈線桿Ⅱ右側(cè)端面的半徑R2=8 mm，假設(shè)指數(shù)桿Ⅰ的長(zhǎng)度為l1=78 mm,則可以利用MATLAB對(duì)頻率方程(10)求數(shù)值解，算出懸鏈線桿Ⅱ的長(zhǎng)度l2=71 mm，再由式(11)求出復(fù)合形變幅桿的放大系數(shù)MP=3.7。

3.2 優(yōu)化分析

為了尋找放大系數(shù)更大的變幅桿，將對(duì)變幅桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的思路是通過(guò)改變指數(shù)桿的長(zhǎng)度l1和交界面的半徑R，從而改變懸鏈線桿和復(fù)合變幅桿的諧振長(zhǎng)度以及放大系數(shù)。

在保持指數(shù)桿Ⅰ左側(cè)端面半徑R1和懸鏈線桿Ⅱ右側(cè)端面半徑R2不變的情況下，復(fù)合變幅桿的諧振長(zhǎng)度l1+l2和放大系數(shù)MP隨交界面的半徑R和指數(shù)桿的長(zhǎng)度l1的變化關(guān)系分別如圖4和圖5所示。

圖4 復(fù)合變幅桿的長(zhǎng)度變化規(guī)律

圖5 復(fù)合變幅桿的放大系數(shù)變化規(guī)律

從圖4可知，復(fù)合變幅桿的諧振長(zhǎng)度l1+l2隨著指數(shù)桿的長(zhǎng)度l1的增大而增大，懸鏈線桿的長(zhǎng)度l2隨著指數(shù)桿的長(zhǎng)度l1的增大而減小，在45 mm

從圖5可知，復(fù)合變幅桿的放大系數(shù)MP隨著指數(shù)桿長(zhǎng)度l1的增大先增大后減小，在l1<68 mm的區(qū)域放大系數(shù)MP隨著交界面的半徑R的增大而增大，在放大系數(shù)MP達(dá)到最大值后對(duì)應(yīng)的指數(shù)桿長(zhǎng)度隨交界面的半徑R的增大而減小。當(dāng)R=16 mm時(shí)放大系數(shù)MP達(dá)到最大值對(duì)應(yīng)的指數(shù)桿長(zhǎng)度為l1=53 mm，懸鏈線桿的長(zhǎng)度為l2=84 mm，將參數(shù)代入式(11)可以求出優(yōu)化后變幅桿的放大系數(shù)為4.2，比優(yōu)化前提高了13.5%。

4 有限元分析

為了檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析的正確性，利用ANSYS軟件對(duì)復(fù)合形變幅桿進(jìn)行有限元分析。除指數(shù)桿Ⅰ長(zhǎng)度取l1=53 mm和懸鏈線桿Ⅱ的長(zhǎng)度l2=84 mm外，復(fù)合形變幅桿的材料參數(shù)、幾何尺寸和諧振頻率均和3.1節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)例相同。

4.1 模態(tài)分析

首先建立復(fù)合變幅桿的幾何模型，依據(jù)設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算出關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)并生成關(guān)鍵點(diǎn)，將關(guān)鍵點(diǎn)依次連接成線再生成面，以復(fù)合變幅桿中心線為軸旋轉(zhuǎn)360°成體，選用SOLID95實(shí)體單元，采用掃掠網(wǎng)格劃分，共得到7 861個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 584個(gè)單元。運(yùn)用分塊蘭索法(block Lanczos)分析，模態(tài)提取頻率范圍為18～22 kHz，使用Solve求解并提取與設(shè)計(jì)頻率最接近的諧振模態(tài)如圖6所示。由圖6可以看出當(dāng)諧振頻率f′=19 839 Hz時(shí)，變幅桿做縱向振動(dòng)狀態(tài)良好，與理論設(shè)計(jì)基本吻合。

圖6 復(fù)合變幅桿的位移云圖

4.2 諧響應(yīng)分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用完全法(full)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，這種方法是運(yùn)用完整的系統(tǒng)矩陣來(lái)計(jì)算響應(yīng)的。在圓柱桿的左端面加載幅值為1.1 μm的正弦變化的周期位移載荷，在變幅桿的輸出端即懸鏈線桿的小端面輸出的諧響應(yīng)曲線如圖7所示，從響應(yīng)曲線可以看出，在諧振頻率為19 839 Hz附近出現(xiàn)了振幅最大值。變幅桿的軸向位移曲線如圖8所示，從圖8可以看出變幅桿大小端面位移分別為1.1 μm和4.6 μm，可得到放大倍數(shù)約為4.1，將有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，諧振頻率相差0.8 %，放大倍數(shù)相差2.3 %，有限元分析結(jié)果與理論設(shè)計(jì)基本一致，符合變幅桿設(shè)計(jì)要求。

圖7 諧響應(yīng)曲線

圖8 變幅桿的軸向位移曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

利用等效電路法設(shè)計(jì)了一種新型的指數(shù)懸鏈線形復(fù)合變幅桿，并對(duì)變幅桿的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和有限元分析。結(jié)果表明：

a.復(fù)合變幅桿的諧振長(zhǎng)度隨著指數(shù)桿長(zhǎng)度l1的增大而增大，但懸鏈線桿的長(zhǎng)度l2隨著指數(shù)桿長(zhǎng)度的增大而減?。粡?fù)合變幅桿的放大系數(shù)MP隨著指數(shù)桿長(zhǎng)度l1的增大先增大后減小，在l1<68 mm的區(qū)域放大系數(shù)MP隨著交界面的半徑R的增大而增大，在放大系數(shù)MP達(dá)到最大值后對(duì)應(yīng)的指數(shù)桿長(zhǎng)度隨交界面的半徑R的增大而減??；通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使復(fù)合變幅桿的放大系數(shù)從3.7增加到4.2，提高了13.5 %，為找到性能更優(yōu)的變幅桿提供了思路。

b.利用等效電路法設(shè)計(jì)復(fù)合形變幅桿思路清晰，物理意義明確，設(shè)計(jì)精度符合要求，采用該方法可以將其他任意形狀的變幅桿進(jìn)行組合得出新型變幅桿，為變幅桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考，有一定的實(shí)用價(jià)值。

c.有限元分析結(jié)果與理論設(shè)計(jì)基本一致，進(jìn)一步證明了復(fù)合形變幅桿設(shè)計(jì)及優(yōu)化的可靠性。