专利名称：基于声场模式的功率超声珩磨谐振系统优化方法
基于声场模式的功率超声珩磨谐振系统优化方法技术领域
本发明专利所属超声珩磨技术领域，特别涉及到一种利用超声场分析下的功率超声珩磨谐振系统的优化设计新方法。
技技术背景功率超声珩磨是在普通珩磨的基础上施加了功率超声振动，具有加工效率高、表面质量高、切削力小等优势。功率超声珩磨振动系统主要由换能器、变幅杆和谐振系统组成。功率超声珩磨加工技术的关键环节是谐振系统的设计，当前存在的主要问题是在超声频率范围内难以获得其稳定的谐振状态，难以实现能量利用的最大化，所以在一定程度上制约了该技术的发展。常规的设计方法(华北电力大学学报(1998) 25:53-59，顾煜炯等；华北工学院学报(1998) 19:168-170，吴秀玲等)是在设计过程中先假定超声振动系统的工作频率， 即在确定了换能器的输出频率和结构尺寸后，再确定系统的其余部分频率，然后试验测量， 重新对谐振系统的设计进行优化。这种方法的缺点是需要反复计算，效率较低，且计算结果误差较大。还有一种是计算机仿真技术方法(机械设计与制造(2010)2:19-21，廖云飞等； 制造技术与机床(2002) 8:23-25，彭彬彬等)。先对谐振系统进行模态分析，确定谐振系统的自振频率和相应的振型，再对谐振系统进行动力响应分析，得出谐振系统的振幅分布。该方法的主要缺点是虽然解决了常规设计方法中反复计算的问题，但由于谐振系统的振幅很小，一般在1(Γ20// 左右，计算和实验测量中的误差会导致自振频率计算精度不高，无法获得稳定的谐振频率。发明内容
本发明目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种将超声场引入谐振系统的优化中，可以快速、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的基于声场模式的功率超声珩磨谐振系统优化方法。
本本发明通过引入超声场用于功率超声珩磨谐振系统优化方法，包括以下步骤 (O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一流体介质一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，包括以下几步O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/ /Ζ 29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单元类型库中的况/如29单元，建立刚性圆形吸收边界使用 ANSYS单元类型库中的/^/如129单元；3)定义谐振系统的材料属性从ANSYS主菜单中选择Preprocessor>MaterialProps, 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=WANSYS 主菜单中选择Preprocessor>Loads,从中选择流一固稱合对话框,单击选择油石座边界面上全部节点，施加流-固稱合标志；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.黯Hz, 每隔O. ^kHz取一阶频率，载荷步取为十步，在油石座表面施加10 μ m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；WANSYS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。
本发明方法结合功率超声珩磨谐振系统的理论计算和谐振系统模态及谐响应分析的结论，可根据上述步骤确定出功率超声珩磨谐振系统的最优化设计。将超声场引入谐振系统的优化中，可以快速、准确的确定自振频率范围，很好的优化功率超声珩磨谐振系统设计。
图I为本发明流程图；图2为功率超声珩磨谐振系统超声场模型示意图；图3为二维谐振系统网格划分图；图4为不同谐振频率下的声场分布图；其中，图4(1)为超声频率为17. 95kHz下谐振系统的声场分布图，图4(2)为超声频率为19. 25kHz下谐振系统的声场分布图；图5为最优谐振频率的声场分布图。
具体实施方式
以Φ150功率超声珩磨装置为例，从超声场的角度出发对其谐振系统进行优化。
( I)简化功率超声珩磨谐振系统的物理模型以Φ150功率超声 行磨谐振系统为例；如图2所不，弯曲振动圆盘外直径为< 58mm，在其048mm的圆周上，均布地焊接六条04mm的挠性杆2，挠性杆2的另一端焊接油石座3， 油石座3的尺寸为152X8X7mm，油石条4粘结在油石座3上。弯曲振动圆盘I的材料为45钢调质，挠性杆2和油石座3的材料为45钢，油石条4为金刚石或立方氮化硼的超硬磨料。功率超声珩磨加工过程中，其谐振系统油石座上的油石条4 (或称为磨削区)直接与缸套5内表面接触，实现磨削加工；此外，功率超声珩磨加工过程中还存在用于冷却作用的切削液6，考虑到流体与结构的相互作用，将谐振系统——切削液——缸套内表面物理模型等价为谐振系统——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有限元模型(a)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。
(b)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/ /Ζ 29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单元类型库中的况/如29单元，建立刚性圆形吸收边界使用ANSYS单元类型库中的况/如129单元。
圆形边界的中心可用下式表示
权利要求
1.一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 (I)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 O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>ElementType,谐振系统使用ANSYS单元类型库中的平面单元；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/ /Ζ 29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单元类型库中的况/如29单元，建立刚性圆形吸收边界使用ANSYS单元类型库中的/^/如129单元； 3)定义谐振系统的材料属性从ANSYS主菜单中选择Preprocessor>MaterialProps,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一固耦合标志从ANSYS主菜单中选择Preprocessor>Loads,从中选择流一固稱合对话框,单击选择油石座边界面上全部节点，施加流一固稱合标志； 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.黯Hz,每隔O. ^kHz取一阶频率，载荷步取为十步，在油石座表面施加10 μ m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；WANSYS主菜单中进入后处理器TimeHistPostpro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。
2.如权利要求I所述的基于声场模式的功率超声珩磨谐振系统优化方法，其特征是弯曲振动圆盘的材料为45钢调质，挠性杆和油石座的材料为45钢，油石条为金刚石或立方氮化硼的超硬磨料。
全文摘要
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。
文档编号G06F17/50GK102982204SQ20121047812
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者刘国东, 郭策, 祝锡晶 申请人:中北大学