專利名稱：基于聲場模式的功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)優(yōu)化方法
基于聲場模式的功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)優(yōu)化方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明專利所屬超聲珩磨技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種利用超聲場分析下的功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計新方法。
技技術(shù)背景功率超聲珩磨是在普通珩磨的基礎(chǔ)上施加了功率超聲振動，具有加工效率高、表面質(zhì)量高、切削力小等優(yōu)勢。功率超聲珩磨振動系統(tǒng)主要由換能器、變幅桿和諧振系統(tǒng)組成。功率超聲珩磨加工技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是諧振系統(tǒng)的設(shè)計，當(dāng)前存在的主要問題是在超聲頻率范圍內(nèi)難以獲得其穩(wěn)定的諧振狀態(tài)，難以實現(xiàn)能量利用的最大化，所以在一定程度上制約了該技術(shù)的發(fā)展。常規(guī)的設(shè)計方法(華北電力大學(xué)學(xué)報(1998) 25:53-59，顧煜炯等；華北工學(xué)院學(xué)報(1998) 19:168-170，吳秀玲等)是在設(shè)計過程中先假定超聲振動系統(tǒng)的工作頻率， 即在確定了換能器的輸出頻率和結(jié)構(gòu)尺寸后，再確定系統(tǒng)的其余部分頻率，然后試驗測量， 重新對諧振系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。這種方法的缺點是需要反復(fù)計算，效率較低，且計算結(jié)果誤差較大。還有一種是計算機(jī)仿真技術(shù)方法(機(jī)械設(shè)計與制造(2010)2:19-21，廖云飛等； 制造技術(shù)與機(jī)床(2002) 8:23-25，彭彬彬等)。先對諧振系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，確定諧振系統(tǒng)的自振頻率和相應(yīng)的振型，再對諧振系統(tǒng)進(jìn)行動力響應(yīng)分析，得出諧振系統(tǒng)的振幅分布。該方法的主要缺點是雖然解決了常規(guī)設(shè)計方法中反復(fù)計算的問題，但由于諧振系統(tǒng)的振幅很小，一般在1(Γ20// 左右，計算和實驗測量中的誤差會導(dǎo)致自振頻率計算精度不高，無法獲得穩(wěn)定的諧振頻率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種將超聲場引入諧振系統(tǒng)的優(yōu)化中，可以快速、準(zhǔn)確的確定自振頻率范圍，優(yōu)化功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)設(shè)計的基于聲場模式的功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)優(yōu)化方法。
本本發(fā)明通過引入超聲場用于功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)優(yōu)化方法，包括以下步驟 (O簡化功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的物理模型；功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)包括彎曲振動圓盤、撓性桿、油石座和油石條；撓性桿一端沿著圓周方向均布地焊接在彎曲振動圓盤上，撓性桿另一端焊接在獨立的油石座上，油石座位于缸套內(nèi)，油石條粘結(jié)在油石座外側(cè)，油石條直接與缸套內(nèi)表面接觸；缸套內(nèi)有起冷卻作用的切削液；將諧振系統(tǒng)——切削液——缸套內(nèi)表面物理模型等效為諧振系統(tǒng)一流體介質(zhì)一剛性圓形吸收邊界的耦合超聲場模型；(2)建立功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的有限元模型，包括以下幾步O建立諧振系統(tǒng)的超聲場有限元幾何模型按照簡化的諧振系統(tǒng)的物理模型，采用 ANSYS/Multiphysics 的分析模塊，在 ANSYS 主菜單中，選擇 Preprocessor>modeling 中的 Boolean運(yùn)算，建立諧振系統(tǒng)的超聲場幾何模型；2)設(shè)置諧振系統(tǒng)的單元類型從ANSYS主菜單中選擇Preprocessor>Element Type,諧振系統(tǒng)使用ANSYS單元類型庫中的平面單元；諧振系統(tǒng)與流體介質(zhì)的耦合部分使用ANSYS單元類型庫中的包含結(jié)構(gòu)自由度的/ /Ζ 29單元，對于只存在流體介質(zhì)的區(qū)域，使用不包含結(jié)構(gòu)自由度的ANSYS單元類型庫中的況/如29單元，建立剛性圓形吸收邊界使用 ANSYS單元類型庫中的/^/如129單元；3)定義諧振系統(tǒng)的材料屬性從ANSYS主菜單中選擇Preprocessor>MaterialProps, 從中選擇材料屬性對話框，分別輸入諧振系統(tǒng)彈性模量、密度、泊松比；輸入流體介質(zhì)的密度和超聲傳播的聲速；4)網(wǎng)格劃分從ANSYS 主菜單中選擇 Preprocessor>Meshing>MeshTool,在 MeshTool 中選擇映射網(wǎng)格劃分；5)在諧振系統(tǒng)和流體介質(zhì)的邊界即油石座邊界面上施加流——固耦合標(biāo)志=WANSYS 主菜單中選擇Preprocessor>Loads,從中選擇流一固稱合對話框,單擊選擇油石座邊界面上全部節(jié)點，施加流-固稱合標(biāo)志；6)諧振系統(tǒng)有限元模型求解設(shè)定分析類型為諧響應(yīng)分析，頻率范圍為16 21.黯Hz, 每隔O. ^kHz取一階頻率，載荷步取為十步，在油石座表面施加10 μ m超聲振幅，在ANSYS 主菜單中選擇Solution,進(jìn)行求解；(3)確定諧振系統(tǒng)的諧振頻率范圍；WANSYS主菜單中進(jìn)入后處理器TimeHist Postpro中，讀取聲場分析的壓力云圖結(jié)果,確定諧振系統(tǒng)的聲場分布情況和油石表面正負(fù)壓值，尋找聲場均勻分布在油石座及油石的外輪廓線上，且油石表面出現(xiàn)聲壓集中和正負(fù)壓差較小的壓力云圖；由此壓力云圖對應(yīng)的超聲頻率來確定諧振系統(tǒng)的諧振頻率范圍；(4)在諧振頻率范圍內(nèi)對諧振系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，獲取最優(yōu)諧振頻率；對諧振系統(tǒng)在步驟(3)確定的諧振頻率范圍內(nèi)再次進(jìn)行有限元聲場分析，分析步驟同(2)、(3);通過對比分析得出諧振系統(tǒng)的最優(yōu)諧振頻率。
本發(fā)明方法結(jié)合功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的理論計算和諧振系統(tǒng)模態(tài)及諧響應(yīng)分析的結(jié)論，可根據(jù)上述步驟確定出功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計。將超聲場引入諧振系統(tǒng)的優(yōu)化中，可以快速、準(zhǔn)確的確定自振頻率范圍，很好的優(yōu)化功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)設(shè)計。


圖I為本發(fā)明流程圖；圖2為功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)超聲場模型示意圖；圖3為二維諧振系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖；圖4為不同諧振頻率下的聲場分布圖；其中，圖4(1)為超聲頻率為17. 95kHz下諧振系統(tǒng)的聲場分布圖，圖4(2)為超聲頻率為19. 25kHz下諧振系統(tǒng)的聲場分布圖；圖5為最優(yōu)諧振頻率的聲場分布圖。
具體實施方式
以Φ150功率超聲珩磨裝置為例，從超聲場的角度出發(fā)對其諧振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
( I)簡化功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的物理模型以Φ150功率超聲 行磨諧振系統(tǒng)為例；如圖2所不，彎曲振動圓盤外直徑為< 58mm，在其048mm的圓周上，均布地焊接六條04mm的撓性桿2，撓性桿2的另一端焊接油石座3， 油石座3的尺寸為152X8X7mm，油石條4粘結(jié)在油石座3上。彎曲振動圓盤I的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，撓性桿2和油石座3的材料為45鋼，油石條4為金剛石或立方氮化硼的超硬磨料。功率超聲珩磨加工過程中，其諧振系統(tǒng)油石座上的油石條4 (或稱為磨削區(qū))直接與缸套5內(nèi)表面接觸，實現(xiàn)磨削加工；此外，功率超聲珩磨加工過程中還存在用于冷卻作用的切削液6，考慮到流體與結(jié)構(gòu)的相互作用，將諧振系統(tǒng)——切削液——缸套內(nèi)表面物理模型等價為諧振系統(tǒng)——流體介質(zhì)——剛性圓形吸收邊界的耦合超聲場模型。
(2)建立功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)有限元模型(a)建立諧振系統(tǒng)的超聲場有限元幾何模型按照簡化的諧振系統(tǒng)的物理模型，采用 ANSYS/Multiphysics 的分析模塊，在 ANSYS 主菜單中，選擇 Preprocessor>modeling 中的 Boolean運(yùn)算，建立諧振系統(tǒng)的超聲場幾何模型。
(b)設(shè)置諧振系統(tǒng)的單元類型從ANSYS主菜單中選擇Preprocessor>Element Type,諧振系統(tǒng)使用ANSYS單元類型庫中的平面單元；諧振系統(tǒng)與流體介質(zhì)的耦合部分使用ANSYS單元類型庫中的包含結(jié)構(gòu)自由度的/ /Ζ 29單元，對于只存在流體介質(zhì)的區(qū)域，使用不包含結(jié)構(gòu)自由度的ANSYS單元類型庫中的況/如29單元，建立剛性圓形吸收邊界使用ANSYS單元類型庫中的況/如129單元。
圓形邊界的中心可用下式表示
權(quán)利要求
1.一種基于聲場模式的功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征是 (I)簡化功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的物理模型；功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)包括彎曲振動圓盤、撓性桿、油石座和油石條；撓性桿一端沿著圓周方向均布地焊接在彎曲振動圓盤上，撓性桿另一端焊接在獨立的油石座上，油石座位于缸套內(nèi)，油石條粘結(jié)在油石座外側(cè)，油石條直接與缸套內(nèi)表面接觸；缸套內(nèi)有起冷卻作用的切削液；將諧振系統(tǒng)--切削液--缸套內(nèi)表面物理模型等效為諧振系統(tǒng)--流體介質(zhì)--剛性圓形吸收邊界的耦合超聲場模型； (2)建立功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的有限元模型 O建立諧振系統(tǒng)的超聲場有限元幾何模型按照簡化的諧振系統(tǒng)的物理模型，采用ANSYS/Multiphysics 的分析模塊，在 ANSYS 主菜單中，選擇 Preprocessor>modeling 中的Boolean運(yùn)算，建立諧振系統(tǒng)的超聲場幾何模型； 2)設(shè)置諧振系統(tǒng)的單元類型從ANSYS主菜單中選擇Preprocessor>ElementType,諧振系統(tǒng)使用ANSYS單元類型庫中的平面單元；諧振系統(tǒng)與流體介質(zhì)的耦合部分使用ANSYS單元類型庫中的包含結(jié)構(gòu)自由度的/ /Ζ 29單元，對于只存在流體介質(zhì)的區(qū)域，使用不包含結(jié)構(gòu)自由度的ANSYS單元類型庫中的況/如29單元，建立剛性圓形吸收邊界使用ANSYS單元類型庫中的/^/如129單元； 3)定義諧振系統(tǒng)的材料屬性從ANSYS主菜單中選擇Preprocessor>MaterialProps,從中選擇材料屬性對話框，分別輸入諧振系統(tǒng)彈性模量、密度、泊松比；輸入流體介質(zhì)的密度和超聲傳播的聲速； 4)網(wǎng)格劃分從ANSYS 主菜單中選擇 Preprocessor>Meshing>MeshTool,在 MeshTool中選擇映射網(wǎng)格劃分； 5)在諧振系統(tǒng)和流體介質(zhì)的邊界即油石座邊界面上施加流一固耦合標(biāo)志從ANSYS主菜單中選擇Preprocessor>Loads,從中選擇流一固稱合對話框,單擊選擇油石座邊界面上全部節(jié)點，施加流一固稱合標(biāo)志； 6)諧振系統(tǒng)有限元模型求解設(shè)定分析類型為諧響應(yīng)分析，頻率范圍為16 21.黯Hz,每隔O. ^kHz取一階頻率，載荷步取為十步，在油石座表面施加10 μ m超聲振幅，在ANSYS主菜單中選擇Solution,進(jìn)行求解； (3)確定諧振系統(tǒng)的諧振頻率范圍；WANSYS主菜單中進(jìn)入后處理器TimeHistPostpro中，讀取聲場分析的壓力云圖結(jié)果,確定諧振系統(tǒng)的聲場分布情況和油石表面正負(fù)壓值，尋找聲場均勻分布在油石座及油石的外輪廓線上，且油石表面出現(xiàn)聲壓集中和正負(fù)壓差較小的壓力云圖；由此壓力云圖對應(yīng)的超聲頻率來確定諧振系統(tǒng)的諧振頻率范圍； (4)在諧振頻率范圍內(nèi)對諧振系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，獲取最優(yōu)諧振頻率；對諧振系統(tǒng)在步驟(3)確定的諧振頻率范圍內(nèi)再次進(jìn)行有限元聲場分析，分析步驟同(2)、(3);通過對比分析得出諧振系統(tǒng)的最優(yōu)諧振頻率。
2.如權(quán)利要求I所述的基于聲場模式的功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征是彎曲振動圓盤的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，撓性桿和油石座的材料為45鋼，油石條為金剛石或立方氮化硼的超硬磨料。
全文摘要
一種基于聲場模式的功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)優(yōu)化方法，目的是快速、準(zhǔn)確的確定自振頻率范圍，優(yōu)化功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)設(shè)計；本方法先簡化功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的物理模型；將諧振系統(tǒng)-切削液-缸套內(nèi)表面物理模型等效為諧振系統(tǒng)-流體介質(zhì)-剛性圓形吸收邊界的耦合超聲場模型；再建立功率超聲珩磨諧振系統(tǒng)的有限元模型；確定諧振系統(tǒng)的諧振頻率范圍；從ANSYS主菜單中進(jìn)入后處理器TimeHist Postpro中，讀取聲場分析的壓力云圖結(jié)果，確定諧振系統(tǒng)的聲場分布情況和油石表面正負(fù)壓值；在諧振頻率范圍內(nèi)對諧振系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，獲取最優(yōu)諧振頻率；對諧振系統(tǒng)確定的諧振頻率范圍內(nèi)再次進(jìn)行有限元聲場分析，通過對比分析得出諧振系統(tǒng)的最優(yōu)諧振頻率。
文檔編號G06F17/50GK102982204SQ20121047812
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者劉國東, 郭策, 祝錫晶 申請人:中北大學(xué)