槽优化 —— 编写中


引言

随着变幅杆横向尺寸的增大(相对于细线半波长而言),波节附近的泊松耦合会使端面振幅发生畸变。如果横向尺寸足够大,纵向谐振甚至可能完全消失 —— 波节将出现在端面和/或螺柱表面上。

为了缓解这一问题,宽变幅杆上开有与纵向振动方向平行的槽。槽的长度占半波长的相当大一部分。

遗憾的是,这些槽会引入应力集中,可能在槽的起始端附近引起疲劳失效。

标准槽

在 20 kHz 下,槽通常宽 10 mm,两端各有一个完整的 5 mm 圆弧。(也可以使用更宽的 12–13 mm 槽,但这可能会带来性能问题。)靠近变幅杆输出端面一侧的槽腹长度通常在 12 mm 到 20 mm 之间。靠近变幅杆输入面一侧,如果变幅杆按有增益设计,槽腹可能大得多。

图 1 展示了一根 20 kHz、75 mm 宽 x 13 mm 厚的条形变幅杆中的槽应力分布。(槽宽 10 mm,起始端为完整的 5 mm 圆弧。槽腹长度为 15 mm。)请注意,应力从变幅杆端面开始逐渐上升,随后在槽处突然增大。就在槽圆弧与槽壁相切之前 4.1 mm 处,应力达到峰值。

重要提示 —— 除非另有说明 ——

  • 槽应力可以按以下两种方式的任意一种或两种进行归一化 ——
    • 相对于常规槽中的最高应力进行归一化。这显示了重新设计的槽相对于常规槽的改进程度。
    • 相对于纵向谐振细线中的最高(波节处)应力进行归一化。该细线由与实际变幅杆相同的材料制成,并具有相同的输出振幅。图 1 展示的就是这样一条归一化应力曲线。此处相对应力曲线的最大值为 1.07。这意味着最大槽应力比纵向谐振细线中的最高应力高 7%。这样就可以在不受变幅杆材料、振幅和频率影响的情况下比较各种槽设计。
  • 所有尺寸均针对 20 kHz 变幅杆。不过,这些尺寸可以很容易地按比例换算到其他频率。
  • \( X \) 方向的尺寸平行于槽轴线(即轴向振动方向)。(在有限元分析模型中这是 \( Z \) 轴。)\( Y \) 方向的尺寸横向于槽轴线(即槽宽方向)。

 

曲线图 —— 常规 10 mm 宽槽中的应力
图 1. 20 kHz 75 mm 宽条形变幅杆中
常规 10 mm 宽槽的应力分布

降低槽应力的优点

降低槽应力可能带来以下几个优点 ——

  • 在当前振幅下可以延长变幅杆的使用寿命。
  • 现有变幅杆可以在更高的振幅下运行而不发生失效。
  • 可以增大槽腹(即减小槽长),从而可能改善变幅杆的性能(更好的频率分离、更好的振幅均匀性、更低的横向振幅)。这取决于具体的变幅杆设计。

缺点是加工变得更复杂,成本也可能有所增加。

改进型槽

为了克服标准槽的应力局限,人们利用有限元分析对具有不同端部几何形状的槽进行了优化。所研究的几何形状包括复合圆弧、各种椭圆、悬链线和匙孔形。其他几何形状也是可能的,但可能不会带来显著的改进。在某些情况下(例如匙孔形),应力实际上明显更差。

设计考虑因素

槽的设计受到加工条件的约束。

  • 槽应能用常规旋转刀具加工。(假定具备 CNC 能力,但并非绝对必需。)这样,大多数小型加工厂都能加工这些槽。这一标准排除了一些本来可以用线切割电火花加工或拉削来加工的潜在槽形(例如带尖端的槽)。
  • 加工方式不应取决于变幅杆材料。这就排除了拉削,因为拉削并不特别适合钛。
  • 与最佳加工方式相比,加工不应降低变幅杆的疲劳寿命。这通常会排除电火花加工。
  • 槽应能加工到相当大的深度,例如在大型开槽块形变幅杆中。这就要求机床刀具(例如立铣刀)应尽可能刚硬(即大直径)。

基于上述标准,(优化端部之间的)槽的主壁应使用 Ø10.0 mm 刀具加工。选择 Ø8.0 mm 刀具来加工优化的槽端部。(曾研究过 Ø6.0 mm 刀具,但并未给出更好的结果。)

此外,所开发的槽设计应适用于许多不同的变幅杆设计,尽管它可能对每一种变幅杆设计都不是完全最优的。

优化

针对一根 20 kHz、75 mm 宽 x 13 mm 厚、带单个中央槽的条形变幅杆进行了槽优化。在杆的两端添加了 R10 mm 的纵向凹弧,以获得均匀的端面振幅(在 ±2% 以内);因此,该变幅杆在槽附近基本为轴向运动。该变幅杆还具有良好的频率分离。(这种宽度的变幅杆通常不需要开槽。之所以选择这根变幅杆作为测试案例,是因为它结构简单且性能良好。)

在上述变幅杆上完成优化后,又在其他变幅杆上测试了最优槽形,特别是一根 20 kHz 125 mm x 125 mm 的十字开槽块形变幅杆。

复合圆弧

标准的 5 mm 端部圆弧可以用两段相切圆弧替代 —— 在槽起始端处半径为 \( R_{1} \) 的较小圆弧,以及半径为 \( R_{2} \) 的较大连接圆弧,后者从较小圆弧过渡、并与槽壁相切收尾(即在槽宽为 10 mm 处相切)。两段圆弧在相接处彼此相切。

所需的  \( R_{2} \) 值由下式给出 ——

\begin{align} \label{eq:11500a} R_{2} = \frac{Y^2 - R_{1}^2 + (X_{w} - R_{1})^2}{2*(Y - R_{1})}\end{align}

式中 ——

\( R_{2} \) = 大连接圆弧的半径
\( R_{1} \) = 槽起始端处小圆弧的半径
\( X_{w} \) = 从槽起始端到大连接圆弧与槽相交点的距离
\( Y \) = 槽宽的 1/2

请注意,\( X_{w} \) 也是从槽起始端到大连接圆弧中心线的距离。

小圆弧与大圆弧彼此相切的点 \( (X_{t},Y_{t}) \) 由下式给出 ——

\begin{align} \label{eq:11510a} X_{t} = R_{1}*\sin\left( \theta \right)\end{align}

\begin{align} \label{eq:11520a} Y_{t} = R_{1}*\left\lgroup 1 - \cos\left( \theta \right) \right\rgroup\end{align}

式中 \( \theta \) 为小半径 \( R_{1} \) 在切点 \( (X_{t},Y_{t}) \) 处相对于槽轴线的夹角 ——

\begin{align} \label{eq:11530a} \theta = \sin^{-1}\left(\frac{R_{2} - Y}{R_{2} - R_{1}}\right)\end{align}

在上述各式中,\( (X,Y) \) 坐标系位于槽起始端处,\( X \) 轴与槽轴线重合,\( Y \) 轴垂直于槽轴线。

一般步骤是 ——

  1. 选择 \( R_{1} \)\( Y \)
  2. 在合理范围内选择 \( X_{w} \)(必须大于 \( Y \))。
  3. 根据上述参数计算 \( R_{2} \)
  4. 建立有限元分析模型并分析槽应力。
  5. 重复以上步骤以找到最优参数。

示例 1

假定取下列数值 ——

\( R_{1} \) = 4 mm
\( Y \) = 5 mm
\( X_{w} \) = 10 mm

则所需的连接半径 \( R_{2} \) 为 22.5 mm。小圆弧与大圆弧之间的切点位于 \( (X,Y) \) = (3.784,2.703),其中 \( \theta \) = 71.075°。

图 2 展示了 10 mm 宽槽在 \( R_{1} \) = 4 mm 时、若干 \( X_{w} \) 及相应 \( R_{2} \) 下的应力结果。表 1 给出了相应的槽参数。\( R_{2} \) = 12.5 mm 给出了最佳综合结果。

表 1. 带一个 10 mm 宽槽的 20 kHz 75 mm 宽条形变幅杆的
复合圆弧半径结果

\( R_{1} \) \( X_{w} \) \( R_{2} \) \( \theta \) \( X_{t} \) \( Y_{t} \) \( \sigma_{R_1} \) \( \sigma_{R_2} \) 备注
4.0 6.0 6.5 36.87 2.400 0.800 0.431,位于 \( X \) =  1.021,位于 \( X \) =  ---
4.0 10.0 12.5 71.08 3.784 2.703 0.827,位于 \( X \) = 2.34

0.837,位于 \( X \) = 8.32

最优
4.0 20.0 132.5 82.85 3.969 3.502 0.888,位于 \( X \) =  0.843,位于 \( X \) =  ---

槽腹长度的影响

该槽是针对 15 mm 长的槽腹进行优化的。然而,对其他槽腹长度的分析表明性能依然良好。图 N(a) 展示了三种不同槽腹长度下的槽应力。不出所料,随着槽腹长度的增加(即槽长减小),槽应力也随之增大,因为槽的起始端更靠近波节,而细线应力在波节处最高。图 N(b) 展示的是图 1(a) 的数据,但在这种情况下,每种槽的应力均相对于相同槽腹长度的常规槽进行了归一化。无论槽腹长度如何,每种槽在 R4 mm 小圆弧范围内的应力都基本相同。在大圆弧区域内,不同槽腹长度之间的应力存在一些差异,但并不显著。事实上,20 mm 槽腹长度的应力实际上还要略好一些。因此,为 15 mm 槽腹长度优化的槽也可以用于其他槽腹长度。

曲线图 - 槽腹对槽应力(相对于细线)的影响
(a) 相对于细线的槽应力
曲线图 - 槽腹对槽应力(相对于常规槽)的影响
(b) 相对于常规槽的槽应力
图 N. 槽腹长度对复合圆弧槽应力的影响
(20 kHz 75 mm 宽条形变幅杆,带一个 10 mm 宽槽)

椭圆

各种不同程度的椭圆由以下方程描述(参见超椭圆(SuperEllipse))——

\begin{align} \label{eq:11590a} {{\huge\lgroup}{\frac{z - z_{0}}{a}}{\huge\rgroup}}^p + {{\huge\lgroup}{\frac{y - y_{0}}{b}}{\huge\rgroup}}^q = 1\end{align}

式中 ——

\( X \) = 沿椭圆长轴的曲线坐标
\( y \) = 沿椭圆短轴的曲线坐标
\( z_{0}, y_{0} \) = 椭圆中心的坐标
\( a \) = 椭圆长轴方向的半径
\( b \) = 椭圆短轴方向的半径
\( p, q \) = 决定 \( X \)\( y \) 方向的曲率("方形度")

 

表 2 展示了各椭圆参数之间的关系 ——

表 2. 椭圆参数之间的关系
几何形状 a、b 关系 p、q 关系 备注
广义超椭圆 p <> q 适应性最强
超椭圆 p = q <> 2
椭圆 p = q = 2
a = b p = q = 1 适应性最弱

匙孔形槽

匙孔形槽是指槽起始端处的槽横截面大于槽主壁横截面的槽。这类槽主要在采用线切割电火花加工槽的场合中尝试过。在这种情况下,较大的 电火花加工段的每一端都以相当大半径的圆弧收尾。例如,电火花加工段可能宽 XX mm,两端各以一个 R5 mm 圆弧收尾。

各种槽的对比

图 N 展示了几种槽构型之间的对比。超椭圆平滑的应力轮廓在观感上似乎比复合圆弧更美观。然而,与常规槽相比,两者给出的应力降低幅度相近(复合圆弧设计为 22%,超椭圆设计为 23%)。复合圆弧在 CNC 加工编程上应当更容易一些。不过,由于两者的轮廓非常相似,加工效果应当相当。

曲线图 - 优化设计应力(相对于细线)的对比
(a) 相对于细线的槽应力
曲线图 - 优化设计应力(相对于常规槽)的对比
(b) 相对于常规槽的槽应力
图 N. 三种槽设计的对比
(20 kHz 75 mm 宽条形变幅杆,带一个 10 mm 宽槽)

谐振频率的变化

当用优化设计替代标准槽时,谐振频率的变化极小。均匀性的变化也极小。表 3 展示了所分析变幅杆的情况。因此,优化设计可以直接替代常规设计。

表 3. 均匀性与频率
参数 常规槽 复合圆弧 超椭圆
端面均匀性 (%)
(轴向谐振)
横向端部振幅 (%)
(轴向谐振)
\( f_1 \)
\( f_2 \)
\( f_3 \)

注意 —— \( f_1 \) 是在指定频率范围(16 kHz – 24 kHz)内的最低频率。它并不是该变幅杆可能达到的最低频率。\( f_n \)(指定频率范围内的最高频率)同理。

其他几何形状

Ciomber [1] 提出了几种用于降低轴向受载杆件应力的几何形状(见第 29 页)。Simões [1] 使用无梯度优化算法来改善疲劳试样中的应力。这是一种迭代方法,即用三次样条对槽进行建模,并逐个调整样条的控制点以达到最优状态 —— 在应力过高的位置将样条点向内调整(即去除材料),反之亦然。其中一些技术可以用于降低槽中的超声应力。Waldman 提出了超圆锥曲线(超椭圆、超抛物线等的推广),可以尝试。然而,由于目前的优化设计在离开 \( R4 \) 圆弧之后已经给出相当恒定的槽应力,在当前的设计约束下(特别是加工约束),这些替代几何形状似乎不太可能给出明显更好的结果。

在其他变幅杆上的应用

20 kHz 125 mm x 125 mm 块形变幅杆

对一根 20 kHz 125 mm x 125 mm 的块形变幅杆应用上述槽设计进行了分析。该变幅杆每个面上有两个槽。每个槽都与相邻面上的横向槽相交。图 N 展示了槽应力结果。常规相交槽中的最高应力是测试条形变幅杆中不相交槽的 2.4 倍(将图 N(a) 与图 N(a) 对比)。带复合圆弧的槽将这一应力降低了 38%,而带超椭圆的槽将这一应力降低了 36%(图 N(b))。

曲线图 - 优化设计应力(相对于细线)的对比
(a) 相对于细线的槽应力
曲线图 - 优化设计应力(相对于细线)的对比
(b) 相对于常规槽的槽应力
图 N. 三种槽设计的对比
(20 kHz 125 mm x 125 mm 块形变幅杆,每个面上有两个 10 mm 宽槽)