大尺寸矩形振动体的超声耦合振动研究

论文摘要

由于塑料具有质轻、摩擦阻力小、极低的导热导电性能等优点,现已在建筑、航天、汽车、医学等行业被广泛应用,且使用量在逐年增加。目前,大多数塑料制品都是模制品,其尺寸及结构的复杂程度受模具的尺寸和结构的制约。为了提高经济效益,常采用将注塑出的多个零件连接在一起。传统的连接方法具有污染环境、生产效率低、劳动强度大等缺点,因此超声塑料焊接成为当今工业发展的必要。不同的焊件形状和大小不同,有时要用到大尺寸的焊接工具头。对于大尺寸焊接工具头,因为横向振动的影响,会导致辐射面的振幅分布不再均匀,这将不利于塑料的焊接。因此在超声焊接强度的几个决定因素中,辐射面的振幅分布是否均匀成为必须考虑的因素。为此,发展了对大尺寸工具头的振幅分布控制的研究。开槽是控制大尺寸振动体振幅分布的一种方法,但对开槽位置和开槽尺寸的确定缺乏理论方法,这将不利于工程的设计。因此,我们有必要进一步探讨大尺寸振动体开槽的规律,从而建立正确的理论。本文主要开展了以下几方面的研究:(1)对大尺寸振动体,由于横向尺寸对纵向振动的影响,会导致振动频率及辐射面振幅分布发生变化。本文在表观弹性理论的基础上,分析了振动体的横向尺寸对振动频率的影响,并将理论计算结果与有限元模拟值进行了比较;利用有限元软件对辐射面的振幅分布情况做了分析。结果表明:表观弹性理论与有限元模拟在处理大尺寸振动体的问题上基本一致;大尺寸振动体辐射面的振幅分布均匀性随着横向尺寸的变大而呈衰减性变化。这有助于我们进一步认识和使用大尺寸超声振动体。(2)对大尺寸振动体辐射面振幅分布的不均匀,可采用开槽进行控制。本文利用有限元软件对大尺寸振动体的开槽做了分析,总结出辐射面振幅比和纵向振动频率与槽间距、槽长度、宽度的变化规律。结果发现:开槽引起纵向振动频率降低:振动体的振动频率随着槽宽度的增加而降低,随着槽间距的增加先变大后减小,随着槽长度的增加而减小;不合理的开槽会导致辐射面振幅分布更不均匀;振幅比随槽宽度的增加先变大后减小,随着槽间距的增加也先变大后减小,随着槽长度的增大先变大后减小、再变大变小。因此开槽有个最佳的宽度、长度及槽间距。(3)利用表观弹性理论建立了大尺寸振动体开槽后的纵向振动频率方程,并将模拟值代入进行验证。结果发现:建立的理论在处理中央单元时效果较好,两端单元误差较大,有待于进一步建立和完善开槽理论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超声塑料焊接简介
• 1.1.1 超声塑料焊接的优越性
• 1.1.2 超声塑料焊接的原理
• 1.1.3 超声塑料焊接的影响因素
• 1.1.4 超声塑料焊接的工具头
• 1.2 本文的选题背景及研究意义
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 均匀细棒的一维纵向振动
• 2.1 均匀细棒纵向波动方程
• 2.2 均匀细棒纵向波动方程的解
• 2.3 均匀细棒纵向振动的等效网络
• 2.4 两端自由细棒纵向振动的频率
• 2.5 模拟值与理论计算值
• 2.5.1 有限元软件ANSYS的介绍
• 2.5.2 模态分析原理及作用
• 2.5.3 模态分析的过程和步骤
• 2.5.4 均匀细棒一维理论计算与有限元分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 大尺寸矩形体的振动
• 3.1 表观弹性理论及对矩形六面体的处理
• 3.2 表观弹性理论对纵向振动频率与横向尺寸关系的分析
• 3.3 矩形体六面体的模拟
• 3.3.1 横向尺寸远小于纵向尺寸时
• 3.3.2 横向尺寸接近纵向尺寸时
• 3.3.3 横向尺寸等于纵向尺寸时
• 3.3.4 横向尺寸大于纵向尺寸时
• 3.4 矩形体六面体的理论计算值与模拟值对照
• 3.5 矩形体六面体辐射面的振幅分布
• 3.6 振动均匀性的控制
• 3.6.1 开槽
• 3.6.2 附加弹性体
• 3.6.3 振动体二次设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 长条形振动体开槽的有限元分析
• 4.1 模型设计
• 4.2 对开一个槽的研究
• 4.2.1 对A振动体的模拟
• 4.2.2 对B振动体的模拟
• 4.3 振动体A开多槽时的ANSYS模拟分析
• 4.3.1 开两个槽时的模拟分析
• 4.3.2 开三个槽时的模拟分析
• 4.4 振动体B开多槽时的ANSYS模拟分析
• 4.4.1 开五个槽的模拟分析
• 4.4.2 开六个槽的模拟分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 长条形振动体开槽的初步理论分析
• 5.1 理论分析
• 5.2 理论验证
• 5.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果