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第 37 卷 第 5 期 王莎等： 基于二维声子晶体结构的大尺寸超声塑料焊接系统 815

ྲढ़ᮠဋ=19391 Hz ྲढ़ᮠဋ=19391 Hz 隙范围内，能有效地抑制横向振动，从而模态更单
0.01 0.01
T10 -3 T10 -3 一，工具头端面的振动更加的均匀，并且提高了纵向
10 10 振动的位移，实现圆柱形超声塑料焊接系统的优化
设计。
8 8
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6 6
4 4
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2 2 b a x

1.5T10 -4 1.5T10 -4
(a)૝ی (b)ࢺЦ݀ቫ᭧૝үͯረѬ࣋
图 8 超声塑料焊接系统工具头端面截线示意图
图 7 基于二维声子晶体结构的圆柱形超声塑料焊
Fig. 8 Ultrasonic plastic welding machine tool
接系统的振型及工具头端面振动位移分布
head end face line drawing
Fig. 7 Vibration pattern and displacement map of
head surface vibration of ultrasonic plastic weld-
ing system based on two-dimensional phononic
0.010 ళनയ
crystal structure नയ
ጫՔᄱࠫͯረ 0.008
通过观察未开槽圆柱形超声塑料焊接系统以
及基于二维声子晶体结构的圆柱形超声塑料焊接
系统的振型图，不难发现开槽后圆柱形工具头的输
出端面较未开槽圆柱形工具头的输出端面更加均 0.006
匀。这说明二维声子晶体结构能够在其方向带隙中 -48 -24 0 24 48
xᣉگಖ
有效地抑制横向振动，加强纵向振动，使得工具头的
输出端面振幅更加均匀，能更有效地进行工作。通 图 9 圆柱形超声塑料焊接系统端面纵向位移
Fig. 9 Longitudinal displacement of the end face
过在圆柱形超声塑料焊接系统的工具头上开槽，形
of a cylindrical ultrasonic plastic welding system
成二维声子结构能对其进行优化设计。
为了更明显地观察工具头输出端面的位移分 5 结论

布，计算出超声塑料焊接系统的振型之后在Comsol
Multiphysics 中建立一维图组并选取绘制线图，在 本文对基于二维声子晶体结构的圆柱形超声
未开槽圆柱形的超声塑料焊接系统以及基于二维 塑料焊接系统进行了研究。利用在超声塑料焊接系
声子晶体结构的圆柱形超声塑料焊接系统大尺寸 统的工具头上加工具有周期性槽的方式形成二维
工具头端面沿 x 轴正方向过圆心 O 点定义一条截 声子晶体，使其横向耦合振动得到有效的抑制，从而
线 (ab 边)，如图 8 所示。采用有限元法分别计算并 使得纵向的振动模态更加的单一，论文分别讨论了
绘制出工作频率下，上述两种系统的工具头端面在 圆柱形超声塑料焊接系统的工具头的带隙以及基
ab边上的纵向相对位移，如图9所示。 于二维声子晶体结构的超声塑料焊接系统的振型
观察图 9 不难发现，开槽后工具头输出端面的 与端面的纵振动位移。得出以下结论：
纵向相对位移更加均匀并且有了一定的提高，当基 (1) 基于二维声子晶体结构的工具头存在明显
于二维声子晶体的超声塑料焊接系统的工作频率 的带隙，设计超声塑料焊接系统时可将工作频率设
在其声子晶体的方向带隙范围内时，在该方向弹性 计在基于二维声子晶体结构的工具头的带隙范围
波传播得到一定的抑制，使得超声塑料焊接系统工 附近。
具头的横向振动得到一定抑制。这说明设计圆柱形 (2) 对比未加工二维声子晶体结构槽以及加工
超声塑料焊接系统的工作频率在工具头的方向带 二维声子晶体结构槽的圆柱形超声塑料焊接系统