超聲變幅桿是智能超聲設備的重要部件，其性能的優劣直接決定了超聲設備是否正常工作，對超聲設備有著根本的、致命的影響。傳統的超聲變幅桿設計，是通過傳統解析法來設計，然后憑設計人員的經驗對超聲變幅桿進行修正，如果對變幅桿的測試結果不符合要求，需要再對結構進行修改和實驗測試，直到測試結果符合使用要求。這種傳統的設計方法不僅設計精度較低，而且浪費設計時間和費用。隨著計算機軟硬件技術的發展，計算機輔助計算被用于提高超聲變幅桿的設計效率、精度，節約開發成本。
      本研究使用有限元分析軟件ANSYS，對復雜結構的指數型超聲變幅桿進行模態分析，獲得變幅桿的模態參數，對變幅桿進行結構優化設計，并確定出變幅桿的最后結構，使設計的變幅桿結構符合實際使用要求。
      本研究設計的半波長指數型變幅桿，要求其工作頻率ｆ=15ｋＨｚ，變幅桿材料為45#鋼，其彈性模量Ｅ=210ＧＰａ，密度ρ=7 850ｋｇ/ｍ3，其縱波在細棒中的聲速ｃ=5.169×106ｍｍ/ｓ。本研究根據產品設計要求選取指數型變幅桿的大端直徑Ｄ1=78ｍｍ，小端直徑Ｄ2=30ｍｍ。
      根據公式，可得到該指數型變幅桿的參數：諧振長度ｌ=180ｍｍ，質點位移節點ｘ0=73.1ｍｍ，放大系數Ｍｐ=Ｎ=2.6，應變極大點ｘｍａｘ=107.27ｍｍ，形狀因數φ=1.472。
      通過傳統解析法設計出來的變幅桿不能直接應用于超聲振動系統中的。在實際工作中，要在變幅桿的位移節點處加上法蘭盤結構，使變幅桿能和基座固定在一起，還要在變幅桿大小兩個端面上打孔和攻絲，分別與換能器和工具頭聯接，同時，在變幅桿小端處設計一個六角螺母結構，便于變幅桿的安裝。做出這些必要的修改后，變幅桿的固有頻率發生變化，而不再是原來的設計值。所以利用有限元法進行數值模擬，對變幅桿進行修正設計，算出變幅桿的最優結構，使變幅桿的固有頻率變回到原來的設計值。這樣變幅桿在超聲振動系統工作時才能可靠地諧振起來，使其具有較大的振幅放大系數，達到工作要求。
      假設法蘭盤的厚為3ｍｍ，在小端作出六角螺母后，由于超聲變幅桿的大端要與換能器聯接，大端尺寸由換能器的輸出端尺寸所決定，因而超聲變幅桿的小端要與工具聯接，所以小端截面尺寸也不能作修改。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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