近年来,随着功率超声技术广泛进入大众视野,人们对超声加工以及超声处理越发关注。超声加工能够解决传统加工方法中遇到的部分工艺难题,从而提高被加工工件的质量,增强加工效率。超声处理也在超声乳化、超声分散以及超声污水处理等方面有了广泛应用。超声振动系统一般由超声换能器,变幅杆及加工工具头组成。超声振动系统工作过程中,首先由超声波发生器发出电信号,经超声换能器将其转化为机械波,再通过超声变幅杆放大振幅后传输给加工工具头。超声变幅杆在超声振动系统中的作用至关重要,主要是在输出端（一般是较小的面积）上聚集能量,放大机械振动质点位移或速度,还可以在换能器与声负载之间进行阻抗匹配。在实际应用中,超声变幅杆需要根据不同的应用需求来设计,从而提高和改善超声加工和处理的效率,缩短加工及处理时间,延长换能器的使用寿命。在实际应用中,为了满足各种不同的加工需求以及获得尽量大的振动能量,需要根据情况设计不同形状的变幅杆。加工陶瓷等易碎材料时,常利用传统的激光和水射流等方法,但其设备较复杂且大型,往往费时费力。变幅杆输出端尺寸一般都小于输入端尺寸,从而起到放大超声波振幅,实现聚能的作用。但在有些超声处理的应用中,（如超声除尘、超声处理生活废水及超声凝聚等）都需要有大功率、大面积的超声辐射,从而使处理范围大、效率高。此时希望变幅杆有大的输出面积、较好放大系数和稳定性,但小端面输入大端面输出变幅杆的放大系数往往小于1。针对上述问题,通过解析法进行理论计算,利用有限元仿真软件计算并分析所建立的变幅杆模型,将变幅杆的放大系数作为目标函数进行优化设计,得到了大放大系数变幅杆的最优开孔尺寸参数,最后进行了变幅杆应力的优化。具体工作如下:（1）为了高效地对陶瓷等薄脆性材料进行超声辅助打孔,提出了带柱形孔的圆柱形变幅杆,推导了变幅杆的位移表达式、频率方程、位移节点和放大系数等各性能参数表达式。最后以得到大放大系数的变幅杆为目标,通过改变带孔变幅杆的谐振长度以及中心孔孔半径的大小,对其进行结构优化。结果表明,在带孔变幅杆的输入输出端横截面比率不超过4.6（即中心孔半径不超过外径88%）的前提下,谐振频率和中心孔半径一定时,放大系数随实心部分长度的增大先增大后减小。当变幅杆实心部分长度为谐振长度一半时,放大系数随中心孔半径的增大而增大。（2）提出了锥形孔圆柱形超声杆件,基于一维纵向振动变截面杆的波动方程,推导了这种孔型变幅杆的频率方程等其它性能参数表达式,并分析了不同参量对性能参数的影响及其关系,计算了在谐振状态下锥形孔圆柱形变幅杆与柱形孔变幅杆的振动位移及应力沿轴向分布的规律。结果表明,在相同谐振频率及面积系数下,两种孔型变幅杆的放大系数比实心圆柱杆的大;圆柱孔变幅杆的放大系数比锥形孔变幅杆的放大系数大,但锥形孔变幅杆的应力曲线光滑且应力极大值小。（3）有些超声处理的应用中,为了使处理范围大、效率高,希望变幅杆有大的输出面积与放大系数。本文在实心倒锥杆的基础上提出了一种前端开横向矩形通孔的倒锥形变幅杆。有限元方法计算分析了在谐振频率下输出端面位移分布规律及平均放大系数。研究了孔的几何尺寸对杆放大系数及谐振频率的影响。为了获得更大的放大系数,进一步将变幅杆的平均放大系数作为目标函数进行了优化设计,得到了大放大系数变幅杆的最优开孔尺寸。考虑到矩形孔直角处应力集中的问题,把优化后变幅杆的四个直角改为了弧形角,减小了（横向）、避免了（纵向）应力集中现象,且提高了平均放大系数。对倒锥形横向通孔变幅杆作了进一步优化,对带孔变幅杆的设计与研究具有一定的指导意义。