一种圆弧过渡阶梯型超声变幅杆的节点法兰优化与参数型设计

摘要

超声波塑料焊接的纵振变幅杆需要易于装夹的无振动法兰,但薄片状法兰不易保证足够的刚度和加工质量,而厚片法兰易造成变幅杆的共振频率偏移,针对上述问题,对一种圆弧过渡阶梯型变幅杆进行了初步设计.在变幅杆的节点位置添加了薄片状法兰,然后对薄法兰的外侧加块,再利用ANSYS Workbench的Shape Optimization工具对块结构进行了优化,实现了在质量增加较少的情况下保证法兰处的强度;之后以两圆柱的长度为设计变量,对变幅杆进行了参数型设计,修正了变幅杆的长度,使其共振频率在19.75 kHz～20.15 kHz范围内,且节点恰好位于法兰处.研究结果表明:优化后的变幅杆振型呈轴向阶梯型分布,法兰无振动且易于装夹,薄片状法兰式变幅杆质量为0.85 kg;优化后的变幅杆质量为0.914 kg,质量增长了7.5％,等效应力减少了21.4％,最大主应力减少了59.6％.