[发明专利]一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置及其设计方法与应用

权利要求书

1.一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，包括上固定夹头、上拉伸固定支撑结构、超声谐振结构、下拉伸固定支撑结构和下固定夹头；

超声谐振结构主要包括压电陶瓷换能器、两个结构相同的变幅杆和拉伸试样，其空间结构排列顺序为压电陶瓷换能器-变幅杆-拉伸试样-变幅杆；拉伸试样的两端分别通过螺纹与两个变幅杆的小端连接，两个变幅杆的圆锥形部分分别固定于上、下拉伸固定支撑结构，与上拉伸固定支撑结构的底板固定的变幅杆连接至压电陶瓷换能器；

上、下固定夹头分别固定于上、下拉伸固定支撑结构的两端部。

2.根据权利要求1所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，上、下拉伸固定支撑结构均由顶板、拉杆和底板组成，顶板与底板借助4根拉杆连接四个角而固定，上拉伸固定支撑结构的底板、下拉伸固定支撑结构的顶板中央均设有带凹台的通孔用于固定变幅杆。

3.根据权利要求2所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，变幅杆为大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆，两端设有螺纹孔，中部设有法兰，法兰圆周均布用于固定在顶板凹台的通孔，其谐振频率与压电陶瓷换能器的谐振频率一致。

4.根据权利要求2所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，拉伸试样为哑铃形，两端直径相同且大于中部，两端有螺纹，其标距段的尺寸符合国家标准，整体尺寸满足半波长谐振条件，谐振频率与压电陶瓷换能器的谐振频率一致；拉伸试样两端螺纹分别连接两个变幅杆的小端。

5.根据权利要求2所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置，其特征在于，所述顶板、底板尺寸相同，中心点位于同一轴线；用于固定上拉伸固定支撑结构的拉杆长度大于用于固定下拉伸固定支撑结构的拉杆长度；该拉杆为中间粗、两端细的阶梯杆结构，中间为光杆，光杆上靠近一端的位置有对称分布的平面；拉杆两端设有螺纹，通过螺纹、螺母分别固定在顶板与底板。

6.权利要求1所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定谐振频率

根据压电陶瓷换能器的激励频率范围确定超声谐振结构的整体谐振频率。

(2)计算拉伸试样尺寸

哑铃形拉伸试样为对称结构，可以按其一半结构尺寸，即按照中间具有圆弧过渡的阶梯形结构进行计算，在纵向波动方程(式1)的基础上，以阶梯形结构小端的位移为零，应力最大，大端的位移最大，应力为零为边界条件，推导出具有一半拉伸试样尺寸的频率方程(式2)；

均质杆的纵向波动方程为：

式中：A为杆的横截面积函数，ρ是杆的密度，u为质点位移函数，σ为应力函数；

哑铃形拉伸试样为对称结构，按其一半结构尺寸参数计算，图10是哑铃形拉伸试样的尺寸图，边界条件满足：

式中，a为超声振福，σ_max为最大应力；

拉伸试样的谐振频率方程为：

式中：k是圆波数，b和β是与试样轮廓有关的参数，具体可参考硕士学位论文《超声振动拉伸高体分SiCp/Al复合材料力学特性研究》；

圆弧过渡段的半径r₁和长度x₂和满足：

频率参数按照步骤(1)中的谐振频率，小端的外径和长度、大端的外径均按国标要求选择，通过频率方程式2计算出大端的长度，通过式3和式4计算出过渡段的半径和长度，进而得到哑铃形拉伸试样的整体尺寸；

(3)计算变幅杆尺寸

由式1的纵向波动方程推导出半波长谐振、大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆的频率方程如下：

式中，L₁是圆柱段的长度，L₂是圆锥段的长度，N＝D/d，D是大端的外径，d是小端的外径；

根据压电陶瓷换能器输出端的直径和拉伸试样的大端外径分别确定大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆的大端直径和小端直径，通过式5进而计算出圆柱段长度和圆锥段长度，再利用ANSYS软件中模态分析确定振动节点的位置和法兰的尺寸；

(4)变幅杆-拉伸试样-变幅杆装配体的仿真分析与修正

依据步骤(2)和(3)的设计尺寸，分别建立大端接圆柱的复合圆锥形变幅杆和拉伸试样的三维模型，将其按照变幅杆-拉伸试样-变幅杆的顺序装配，并将其装配体导入ANSYS进行模态分析，获取仿真谐振频率，计算仿真谐振频率与步骤(1)谐振频率的误差，使误差小于3％；若误差较大，可用ANSYS仿真软件对装配体中变幅杆的长度进行修正，从而满足误差要求。

7.权利要求1所述的一种基于分段谐振设计的超声振动拉伸试验装置的应用方法，其特征在于，该装置与电子万能试验机配合完成超声拉伸试验，使用前将上、下固定夹头与电子万能试验机的上、下横梁分别连接，将超声电源与换能器连接；开启电子万能试验机，当拉伸试样的变形进入塑性阶段时，再开启超声电源，调节电源的输出频率与谐振频率一致，通过调节电源输出功率，控制振幅的大小，施加完毕后，关闭超声电源，当试样拉伸断裂之后，再关闭电子万能试验机从而完成超声振动拉伸试验，获取应力应变曲线。