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超声切割机理及切割要素设计研究

专 业: 材料加工工程
关键词: 超声切割 有限元分析 优化设计 机理分析 切割工艺
分类号: TG4
形 态: 共 113 页 约 74,015 个字 约 3.54 M内容
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内容摘要


该文从线弹性材料变分原理出发,基于线弹性动力学理论,建立了用于数值模拟超声切割过程的有限元数学模型。

开发了针对超声振动特点的三维有限元程序,对超声切割过程进行了数值模拟分析。

有限元数值模拟结果表明,超声切割过程中由于超声振动的加入,使切割变为一种纵向和横向的合成行为,切割参数的匹配规律决定了切割过程中主导作用行为。

利用有限元分析方法,获得了超声振动、切割速度、切割预压力参数在超声切割过程中对切口应力的作用规律。

通过分析切口应力的分布规律,确定了传统机械切割和超声切割条件下的切口扩展行为。

同时对切割材料性质对超声振动响应问题及切割条件下的切口扩展行为。

同时对切割材料性质对超声振动响应问题及切割刀刃角度对切口应力的影响问题进行了较为深入的分析。

高效、稳定输出的超声刀切割系统是获得高质量切割效果的保证。

超声切割刀的组成中,超声变幅杆与切割刀片的匹配影响着整个超声换能系统的谐振频率和电声转换效率,以致于影响超声振动输出效果。

为了获得高效、稳定的超声输出,该文采用有限元方法对超声变幅杆与切割刀片的匹配进行优化设计,首先利用解析方法推导了带有过滤圆弧的阶梯形变幅杆频率方程,并利用有限元方法确定了过渡圆弧对变幅杆超声性能的影响。

通过有限元分析,研究了变幅杆上狭槽的影响,确定了狭槽设计原则,避免了狭槽引起的横向附加振动带来的不利影响。

研究了切割刀片几何尺寸及材料性质对整体固有频率及振幅放大系数的影响,并确定了调整变幅杆固有频率的方法。

利用有限元分析结果指导了切割刀的设计,同时实验结果验证了有限元分析结果的正确性……

全文目录


文摘
英文文摘
第1章 绪论
1.1引言
1.2超声技术的起源与发展
1.3功率超声机械加工技术的应用现状
1.3.1超声振动切削的发展现状
1.3.2超声振动切割的发展现状
1.3.3超声振动钻削的发展现状
1.4电声转换系统的研究现状
1.4.1超声换能器
1.4.2超声变幅杆及超声工具头
1.4.3声学系统的设计方法
1.5研究重点与展望
1.6本文主要研究内容
第2章 超声切割有限元分析基本方程
2.1引言
2.2线弹性理论的基本假设和方程
2.2.1基本假设
2.2.2基本方程
2.2.3有限元变分原理
2.3线弹性有限元的求解列式推导
2.3.1离散化
2.3.2三维线弹性有限元法求解列式的推导
2.4有限元计算中关键问题处理
2.4.1空间约束的处理
2.4.2边界条件的施加
2.4.3收敛判据
2.4.4数值积分
2.4.5波前法的应用
2.5本章小结
第3章 超声切割机机理的有限元分析
3.1引言
3.2有限元分析过程
3.3基本参数和条件
3.4前处理结果分析
3.5切割工艺参数的模拟结果及分析
3.5.1超声振幅的作用
3.5.2切割压力的作用
3.5.3切割速度的影响
3.5.4分析与讨论
3.6匀速超声切割过程
3.7其他问题的讨论
3.7.1切割刀刃角度的影响
3.7.2切割材料性质的影响
3.8本章小结
第4章 变幅杆与切割刀及其连接的设计
4.1引言
4.2超声变幅杆解析法设计
4.2.1基本理论
4.2.2带圆弧过渡的超声变幅杆的频率方程推导
4.2.3设计结果与讨论
4.3超声变幅杆与刀片匹配分析
4.3.1动力学模型
4.3.2基本参数和条件
4.3.3狭槽对超声变幅杆固有频率的影响
4.3.4切割刀片几何尺寸对组合体超声性能的影响
4.3.5切割刀片材料对整体的超声性能的影响
4.3.6超声变幅杆对匹配规律影响分析
4.3.7刀片的嵌入对组合体超声性能的影响
4.3.8切割刀片的放大系数
4.4实验验证
4.4.1固有频率分析
4.4.2切割刀上振幅分布趋势验证
4.5本章小结
第5章 超声切割工艺研究
5.1引言
5.2超声切割实验装置构成
5.2.1超声切割发生器
5.2.2超声切割振动系统
5.2.3超声切割机械装置
5.3超声切割工艺
5.3.1切割功率的影响
5.3.2切割速度的影响
5.3.3切割材料性质的影响
5.3.4其他因素的影响
5.4数控超声切割初步试验
5.4.1机械行走平台及软件编程部分
5.4.2初步的工艺实验及分析
5.5本章小结
结论
参考文献

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中图分类: > TG4 > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接

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