题目：超声塑料焊接工具头的设计研究

摘  要
本文利用有限元ANSYS的参数化分析技术对大尺寸立方形超声塑料焊接开槽工具头进行优化。以超声塑料焊接工具头的工程实际确定焊头长度，槽长度及宽度为设计变量，纵向谐振频率和频率间隔大小为状态变量，振幅均匀度为目标函数，采用APDL参数化分析技术，编制优化程序。
设计结果表明，该优化方法可以较好地解决大尺寸立方形开槽工具头的设计问题，缩短了设计周期并降低了设计成本。
本文的主要内容包括：
（1）       超声塑料焊接技术、原理、评价及塑料材料特性研究。
（2）       超声工具头的分类及设计方法讨论。
（3）       大尺寸工具头的设计难点及目前常采用的设计方法。
（4）       ANSYS软件的特点介绍及优势。
（5）       开槽结构大尺寸立方形超声塑料焊接工具头的优化设计实例。
 通过设计研究，发现几点结论：
 （1）沿大尺寸立方形工具头X方向均匀开m个槽, Y方向均开n个槽,将焊头分成 (m+1)×(n+1)个单元。焊头划分后的每个单元沿Z方向的纵振频率和焊头整体纵振频率相同,于是将焊头任一单元和大尺寸立方形半波振子作比较,可利用等效机械阻抗求出焊头单元的频率方程。
（2）ANSYS软件的处理模块及分析计算模块可以完成对模型的构造，数据的分析及计算结果的图形图表表示，可很好的应用于功率超声领域来完成对超声振动系统和辐射声场的分析计算。所以ANSYS软件在工程领域应用广泛，并能为工业产品的设计分析提供依据。
    （3）利用ANSYS软件，对开槽的大尺寸立方形超声塑料焊接工具头进行优化设计，可以通过研究工具头长度和开槽尺寸对谐振频率的影响程度，以工具头长度、槽宽度、槽长度为设计变量，以纵向谐振频率、频率间隔大小为状态变量，振幅均匀度为目标函数，采用APDL参数化分析技术编制了优化设计程序。设计结果表明，采用该方法可快速得到同时满足谐振频率、振幅均匀度和频率间隔要求的大尺寸立方体开槽工具头，极大地提高了设计的效率，使产品结构更加合理。