Page 8 - 《应用声学》2023年第4期

670 2023 年 7 月

承受的剪力，剪应力值越大，证明在相同条件下，
能产生的扭矩越大，系统的扭转分量也就越大) 从 2 基于螺旋槽结构的模式转换型纵-扭复合
而确定系统的纵 -扭振动的转化能力。最终分析 超声振动系统的设计
得出：以二阶扭振为主的斜槽型纵 -扭复合超声振
动系统的输出端面的剪切应力的值的变化范围为 换能器、复合变幅杆以及斜槽部分的材料和尺
7
2
7
2
0.05487 × 10 N/m ∼ 0.2650 × 10 N/m ，旋转角 寸参数保持不变，仅在复合变幅杆的圆锥部分加工
度的值的变化范围为 6.5003 ∼ 6.5027 ，均比较小， 了 4 个切口半径为 r、螺旋角为 β、螺距为 p 的螺旋
◦
◦
为了增大系统的扭转分量，提高纵-扭振动的转化效 槽，在仿真软件中建立基于螺旋槽结构的模式转换
率，第 2 节选用螺旋槽结构对基于斜槽结构的模式 型纵-扭复合超声振动系统的模型，并对系统实施模
转换型纵-扭复合超声振动系统进行优化。 态分析，结果如图4所示。

x
z
y

0.63 0.89 0.040
0.6 0.040
0.8 0.035
0.5 0.7 0.030
0.6
0.4 0.025
0.5
0.3 0.4 0.020
0.2 0.3 0.015
0.2 0.010
0.1
0.1 0.005
6.42T10 -4 6.09T10 -4 4.77T10 -4
0.62 0.88 0.040
0.040
0.6
0.8 0.035
0.5 0.7
0.030
0.6
0.4 0.025
0.5
0.3 0.4 0.020
0.2 0.3 0.015
0.2 0.010
0.1
0.1 0.005
6.37T10 -4 6.04T10 -4 4.73T10 -4
(a) ྲढ़ᮠဋ12650 Hz (b) ྲढ़ᮠဋ13603 Hz (c) ྲढ़ᮠဋ23177 Hz
图 4 基于螺旋槽结构的模式转换型纵 -扭复合超声振动系统的模型和振型
Fig. 4 Model diagram and vibration mode diagram of mode conversion longitudinal torsional
composite ultrasonic vibration system based on spiral grooves structure
从图 4可以看出，在螺旋槽的作用下，当系统的 转角度是无螺旋槽结构系统的 1.2905 倍，平均旋转
特征频率为12650 Hz、13603 Hz、23177 Hz时，超声 角度是无螺旋槽结构系统的1.2904 倍。对比结果表
振动系统以扭振为主。以二阶扭振13603 Hz为例进 明，基于螺旋槽结构的系统的扭转分量得到一定程
行研究，利用仿真软件在螺旋槽结构的模式转换型 度的提高，但提高范围有限，优化效果并不十分理

纵 -扭复合超声振动系统的输出面上选取与基于斜 想，基于此，论文提出了新型柱孔式纵 -扭复合模态
槽结构的系统相同的弧线计算剪切应力和旋转角 超声振动系统。
度，得到结果如下：
3 新型柱孔式纵-扭复合模态超声振动系统
基于螺旋槽结构的系统，其剪切应力值的变化
的设计
7
2
范围为 0.0557×10 N/m ∼ 0.3002×10 N/m ，最
2
7
大剪切应力是无螺旋槽结构的系统的 1.1328 倍，平 新型柱孔式纵 -扭复合模态超声振动系统由换
均剪切应力是无螺旋槽结构的系统的 1.0130 倍；旋 能器和复合变幅杆组成 (其中，换能器部分的材料
转角度值的变化范围为 8.3901 ∼ 8.3916 ，最大旋 和尺寸参数保持不变，复合变幅杆的基于斜槽结构
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