超声换能器和变幅杆在功率超声振动系统中一直发挥着重要作用,超声振动系统的设计关键在于将机械振动的超声质点集中在位移或速度放大的超声变幅杆,由于功率超声换能器的变幅杆输出所需振幅只有几微米,但在功率较大的超声领域所需振幅一般要求能达到几十甚至几百微米。所以超声换能器必须和超声变幅杆设计相配合,才能放大输出所需的振幅。采用广义微分方程的变幅杆求解较为困难繁琐,只能利用具有一定规则的数据单一性对变幅杆进行求解和计算。除此之外,传统的解析法不能保证其能很好地满足一些特殊的条件。在实际的工况中,变幅杆与超声换能器进行配合时,需要在换能器或超声变幅杆的端部上打开螺纹孔,或者有些超声变幅杆的零部件需要直接加工到模具头或者是法兰盘,这些都是因为采用传统的解析法对变幅杆进行的计算就可能会异常困难。而ANSYS有限元分析软件功能丰富,不仅能够对超声变幅杆进行动力学分析,还能对变幅杆的参数进行优化,因此选用ANSYS来对超声变幅杆进行设计并优化。(1)根据所需超声变幅杆的要求,通过波动方程理论,完成圆锥形过渡阶梯形复合型变幅杆的设计,本文中变幅杆选用的材料有三种,分别为45钢,321不锈钢,钛合金。(2)在SolidWorks中建立了三种超声变幅杆的模型,将模型导入ANSYS中进行动力学分析,利用模态分析确定超声变幅杆在20000 Hz的固有频率及振型,在谐响应分析中求解了超声变幅杆的应力分布曲线、位移节点、放大倍数等相关参数,并将理论计算值与ANSYS模拟值相比较,设计了超声变幅杆动力学测试系统。(3)研究了321不锈钢复合型变幅杆大小端长度改变对变幅杆频率、位移节点的影响,对复合型变幅杆的频率及位移节点变化进行仿真,由分析指导修正过程,为修正圆锥过渡阶梯型复合变幅杆频率优化提供一种新的途径。同时通过ANSYS软件对选取材料为321不锈钢的圆锥过渡阶梯型复合变幅杆的参数进行了优化,可以有效避免解析法所带来的繁琐计算过程,提高对谐振长度和谐振频率的求解效率,ANSYS的参数优化设计方案可以更加高效地处理类似这种复合变幅杆的参数优化需求。参数化建模可以将ANSYS参数化设计与优化紧密结合在一起,大大提高系统优化的效率。