超聲切割刀動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周勝利 姚志遠(yuǎn) 沙 金

南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210016

0 引言

超聲切割是利用超聲發(fā)生器使切割設(shè)備做超聲頻率的振動(dòng)，通過刀頭將碰撞和沖擊能量傳遞到被切介質(zhì)，致使被切介質(zhì)材料疲勞破碎而達(dá)到切割目的的一項(xiàng)新型工藝技術(shù)。超聲切割可更有效、更精確地加工如碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉纖維、各種蜂窩材料等航空制造領(lǐng)域所用的復(fù)合材料和硬脆材料如光學(xué)玻璃、硅晶體、陶瓷等［1－2］。另外，由于與生物組織接觸的金屬刀頭以一定的超聲頻率振動(dòng)時(shí)可使生物組織內(nèi)水汽化、蛋白氫鍵斷裂、細(xì)胞崩解、組織被切開、凝固和封閉小血管，所以超聲切割技術(shù)又可運(yùn)用到手術(shù)工具上，制成切割止血刀，已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用［3－5］。

現(xiàn)階段超聲切割技術(shù)的研究多在于新型切割設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究，以及利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析等。在國(guó)外，Andreas等［6］設(shè)計(jì)并研究了一種新穎的多刀片切割裝備；Nath等［7］做了超聲切割低合金鋼的實(shí)驗(yàn)研究；Eggers等［8］做了超聲切割應(yīng)用在骨切割和面部手術(shù)上的實(shí)驗(yàn)研究。在國(guó)內(nèi)，郭玉泉等［9］進(jìn)行了超聲切割用壓電換能器的理論研究及有限元仿真；劉井權(quán)等［10］進(jìn)行了超聲刀切割系統(tǒng)的模態(tài)分析；沙金等［11］研制了一種新型的超聲切割刀，并研究了刀頭材料對(duì)切割力的影響等。

目前，超聲切割刀的動(dòng)力學(xué)理論建模研究落后于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。超聲切割刀的結(jié)構(gòu)主體是蘭杰文振子［12－15］。對(duì)于蘭杰文振子，現(xiàn)階段多是利用ANSYS等有限元軟件進(jìn)行仿真分析，得不到其解析解，因而不能定性地分析結(jié)構(gòu)的物理和幾何因素對(duì)其輸出性能的影響規(guī)律。另外，ANSYS計(jì)算比較花費(fèi)時(shí)間，對(duì)計(jì)算結(jié)果還需進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，并且對(duì)非線性變截面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)的效果也不太理想，有時(shí)甚至?xí)斐沙绦驘o法運(yùn)行。為放大刀頭處的振幅，切割刀的結(jié)構(gòu)中引入了變幅桿。變幅桿的聲學(xué)特性已得到了廣泛的研究，并有許多行之有效的計(jì)算方法，如傳統(tǒng)解析法、等效電路法、替代法、傳輸矩陣法和有限元法等［16－18］。超聲切割刀至少具有兩種材料，即壓電陶瓷和金屬材料，工作時(shí)壓電陶瓷是激勵(lì)源，存在著機(jī)電耦合問題。因此，切割刀的動(dòng)力學(xué)理論建模還有待于進(jìn)一步完善。

為優(yōu)化切割刀性能，有必要對(duì)切割刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以往的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是借助于有限元分析完成的，一樣存在著諸如計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，非線性變截面不易處理等問題。本文針對(duì)沙金研制的超聲切割刀，建立了其振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，得到解析解；在解析解的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了切割刀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，利用MATLAB編寫程序并設(shè)計(jì)可視化界面。該優(yōu)化程序運(yùn)行速度快，優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確，方便了該型切割刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 超聲切割刀結(jié)構(gòu)

該超聲切割刀結(jié)構(gòu)如圖1a所示，各部分由45鋼建立的螺栓連接在一起。以后端塊底部中孔的圓心為原點(diǎn)，建立的該切割刀整體坐標(biāo)系如圖1b所示。

圖1 切割刀結(jié)構(gòu)及整體坐標(biāo)系

其中，第（2）部分壓電陶瓷的橫截面是帶有中孔的矩形，第（6）部分采用了指數(shù)截面型變幅桿的設(shè)計(jì)。忽略電極片，則切割刀可分為六部分，其各部分的截面坐標(biāo)如圖2所示。其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ為45鋼構(gòu)成的長(zhǎng)方體，Ⅱ、Ⅳ虛線部分是半徑為r的45鋼螺栓，外圍是壓電陶瓷，Ⅵ在寬度（z）方向?yàn)樽兘孛骟w，沿高度（y）方向是等高度的，其高度為h。Ⅵ在寬度方向的曲線函數(shù)為

圖2 切割刀各部分截面圖

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

式中，ρ和E分別為45鋼的密度和彈性模量；c為切割刀單位體積的等效黏性阻尼系數(shù)。

Ⅱ、Ⅳ部分的振動(dòng)微分方程為

式中，ρt、s11、e33和lt分別為壓電陶瓷的密度、彈性柔度矩陣元素、壓電常數(shù)矩陣元素和厚度。

Ⅵ部分的振動(dòng)微分方程為

由自由初始條件及切割刀在振動(dòng)過程中各截面兩端位移、應(yīng)力相等有下列邊界條件：

2.2 一階縱振模態(tài)求解

本文切割刀采用一階縱振為工作模態(tài)，在不考慮阻尼和激勵(lì)的前提下，其式（1）、式（2）、式（4）變?yōu)?/p>

式（6）的解都可寫成

由式（5）和式（7）可得一個(gè)由12個(gè)方程組成的方程組，寫成矩陣形式和稀疏矩陣形式則有

式（8）有非零解的充要條件是如下的頻散方程：

由式（9）即可求得本文切割刀的一階縱振頻率。

本文超聲切割刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其45鋼和壓電陶瓷的材料性能參數(shù)如表2所示。

表1 超聲切割刀的結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

表2 材料的性能參數(shù)

將上述參數(shù)代入式（9），即可得到一階縱振頻率為52.5k Hz，利用 ANSYS計(jì)算的結(jié)果為52.3k Hz，利用德國(guó)Polytec公司PSV2300F2B型高頻掃描激光測(cè)振系統(tǒng)測(cè)定的結(jié)果為53.5k Hz。由此驗(yàn)證了本文算法是準(zhǔn)確的。利用本文算法，用MATLAB編程計(jì)算一階縱振頻率僅需2s左右，而利用ANSYS計(jì)算一階縱振頻率需要數(shù)分鐘。在計(jì)算出縱振頻率的基礎(chǔ)上，很容易按最大振幅歸一化畫出切割刀一階縱振振型圖并找出節(jié)面所在位置，如圖3所示，圖中A為振幅，Amax為最大振幅。

圖3 切割刀一階縱振振型圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

為使壓電陶瓷的激振效果達(dá)到最大和使夾持件對(duì)切割刀振動(dòng)的影響達(dá)到最小，需將壓電陶瓷和夾持件放置在切割刀的節(jié)面處［19］。由于該切割刀壓電陶瓷對(duì)稱分布在夾持件的兩側(cè)，所以該切割刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)為

式中，lc為夾持件中心位置；ld為切割刀節(jié)面位置；ε為允許偏差。

由振動(dòng)理論可知，對(duì)切割刀節(jié)面位置影響最大的因素為前后端塊和變截面部分的長(zhǎng)度，考慮到前后端塊較易加工，選取前后端塊長(zhǎng)度作為優(yōu)化參數(shù)，分別設(shè)為lq和lh。綜上，本文切割刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可描述為

滿足條件：

為了滿足超聲要求，規(guī)定切割刀一階縱振頻率fgz≥20 000Hz。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序

利用MATLAB編寫程序，算法如下：

（1）輸入?yún)?shù)，設(shè)定總長(zhǎng)度的搜索步長(zhǎng)ΔL。

（4）若Pc（k，j）＝｜lc（k，j）－ld（k，j）｜≤ε，輸出L（k）、lq（k，j）、lh（k，j）、fgz（k，j）、Pc（k，j）和振型圖；若Pc（k，j）＞ε，則j←j＋1。

（5）若對(duì)固定的k，一切l(wèi)q（k，j）都有Pc（k，j）＞ε，則k←k＋1。

（6）若對(duì)一切的k、j都有Pc（k，j）＞ε，則輸出；無合適的尺寸，則更改總長(zhǎng)度范圍或允許偏差。

為 加 工 方 便， 取 ΔL＝ 0.2mm，Δlq＝0.1mm。算 法 第 （2）步 中 估 計(jì)lq（k）、lh（k）及fgz（k）的范圍是為了減少循環(huán)的步數(shù)，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。其估計(jì)的方法如下：

（1）若變截面部分為等截面長(zhǎng)方體，則根據(jù)振動(dòng)理論，節(jié)面位置應(yīng)在切割刀中心處，故有

式中，nt為壓電陶瓷片數(shù)；ljc為夾持件厚度。

（2）若變截面部分對(duì)切割刀的振動(dòng)無影響，則節(jié)面位置應(yīng)在除去變截面部分以外部分的中心處，故

式中，lb為變截面部分長(zhǎng)度。

（3）由步驟（1）、步驟（2）易知lh的取值范圍為

（4）因?yàn)閘q＝L－lh－ntlt－ljc－lb，所以lq的取值范圍為

利用MATLAB的GUIDE工具設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面并對(duì)以上切割刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取的總長(zhǎng)度區(qū)間為［50，52］mm，允許偏差為1μm，優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)優(yōu)化，切割刀總長(zhǎng)度為51.4mm，前端塊長(zhǎng)度為13.7mm，后端塊長(zhǎng)度為17.7mm，一階縱振頻率為50.8k Hz，偏差為0.78μm，達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算時(shí)間約為100s。以上述結(jié)構(gòu)尺寸加工的樣刀的一階縱振頻率為50.6k Hz，在相同的80V正弦信號(hào)的激勵(lì)下，優(yōu)化后的切割刀諧振阻抗為320Ω，振幅為1.4μm，而優(yōu)化前的切割刀振幅為1.1μm，振幅提高約27%。

4 結(jié)語

利用振動(dòng)理論，建立了超聲切割刀的動(dòng)力學(xué)模型，并據(jù)模型整理得到其一階縱振頻率和振型的解析式。據(jù)解析式計(jì)算得到的振動(dòng)頻率52.5k Hz與ANSYS計(jì)算的52.3k Hz及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的53.5k Hz相吻合，驗(yàn)證了本文算法的有效性。建立了超聲切割刀的優(yōu)化模型，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，并利用MATLAB設(shè)計(jì)了人機(jī)交互優(yōu)化界面。利用本文算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)行速度快，所耗機(jī)時(shí)少，優(yōu)化結(jié)果良好，節(jié)面位置與夾持件中心位置的偏差在1μm之內(nèi)，在相同的80V正弦信號(hào)的激勵(lì)下，優(yōu)化后的切割刀振幅比優(yōu)化前的切割刀振幅提高了約27%，解決了結(jié)構(gòu)優(yōu)化難題。本文算法稍作修改后，亦可用于解決具有錐形變截面、雙曲線變截面的切割刀的動(dòng)力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。并對(duì)超聲電機(jī)的定子設(shè)計(jì)具有參考借鑒作用。

［1］劉井權(quán)，閆久春，楊士勤.碳纖維預(yù)浸料超聲切割工藝［J］.焊接，2011（8）：24－26.

Liu Jingquan，Yan Jiuchun，Yang Shiqin.Ultrasonic Cutting Technology for Carbon Fibre Pre－preg［J］.Welding and Joining，2011（8）：24－26.

［2］文立偉，嚴(yán)飆，肖軍.復(fù)合材料超聲切割系統(tǒng)及穩(wěn)定性研究［J］.復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)，2010（17）：49－52.

Wen Liwei，Yan Biao，Xiao Jun.Research on Ultrasonic Cutter System and Stability of Composites［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2010（17）：49－52.

［3］Robiony M，Pplini F，Costa F.Ultrasonic Bone Cutting for Surgically Assisted Rapid Maxillary Expansion under Local Anesthesia［J］.Int.J.Oral Maxillofac，2007，36：267－269.

［4］房愛玲.體外腫瘤治療設(shè)備—超聲切割止血刀［J］.中國(guó)醫(yī)療器械信息，2009，15（7）：26－28.

Fang Ailing.In Vitro Treatment of Tumor：Ultrasonic Scalpel［J］.China Medical Device Information，2009，15（7）：26－28.

［5］宋立為，李曉亮，蘇慶.超聲切割止血刀與高強(qiáng)度聚焦超聲刀的比較［J］.醫(yī)療設(shè)備信息，2007，22（10）：32－34.

Song Liwei，Li Xiaoliang，Su Qing.Comparison between UHS and HIFU［J］.Information of Medical Equipment，2007，22（10）：32－34.

［6］Andreas C，Margaret L，Matthew C.A Novel Multiple Blade Ultrasonic Cutting Device［J］.Ultrasonics，2004，42：69－74.

［7］Nath C，Rahman M.A Study on Ultrasonic Vibration Cutting of Low Alloy Steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007（192/193）：159－165.

［8］Eggers G，Klein J，Blank J.Piezosurgery：an Ultrasound Device for Cutting Bone and Its Use and Limitations in Maxillofacial Surgery［J］.British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery，2004，42：451－453.

［9］郭玉泉，張遼遠(yuǎn).超聲切割用壓電換能器理論設(shè)計(jì)及有限元仿真［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2008（6）：44－46.

Guo Yuquan，Zhang Liaoyuan.Design and Finite Element Simulation on Piezoelectric Ceramic Actuator for Ultrasonic Vibration Cutting［J］.Modern Machinery，2008（6）：44－46.

［10］劉井權(quán)，閆久春，楊士勤.超聲刀切割系統(tǒng)的模態(tài)分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33（4）：435－438.

Liu Jingquan，Yan Jiuchun，Yang Shiqin.Modal Analysis of Ultrasonic Knife Cutting System［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2001，33（4）：435－438.

［11］沙金，姚志遠(yuǎn)，焦陽.超聲波切割刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及切割力實(shí)驗(yàn)研究［C］//第十六屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集.上海，2011：201－206.

［12］孫運(yùn)濤，陳超.基于近場(chǎng)聲懸浮的非接觸式直線型壓電作動(dòng)器［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（24）：2951－2956.

Sun Yuntao，Chen Chao.Non－contact Linear Piezoelectric Actuator Based on Near－field Acoustic Levitation［J］.China Mechanical Engineering，2010，21（24）：2951－2956.

［13］朱華，曾勁松，趙淳生.桿式超聲電機(jī)定子的動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，19（21）：2627－2632.

Zhu Hua，Zeng Jingsong，Zhao Chunsheng.Dynamics Analysis and Optimal Design of the Stator for a Rod－shape Ultrasomic Motor［J］.China Mechanical Engineering，2008，19（21）：2627－2632.

［14］許海，趙淳生.直線型超聲電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（8）：715－717.

Xu Hai，Zhao Chunsheng.Development and Application of Linear Ultrasonic Motors［J］.China Mechanical Engineering，2003，14（8）：715－717.

［15］張鐵民，劉落實(shí)，梁麗英.縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)振動(dòng)模態(tài)有限元分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（3）：251－254.

Zhang Tiemin，Liu Luoshi，Liang Liying.Finite Element Analysis on Vibration Modes for a Linear Ultrasonic Motor Using the Compound Longitudinal and Bending Vibration Modes［J］.China Mechanical Engineering，2006，17（3）：251－254.

［16］王時(shí)英，呂明，軋剛.圓錐過渡復(fù)合變幅桿動(dòng)力學(xué)特性研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38（2）：95－97.

Wang Shiying，Lü Min，Ya Gang.Dynamical Research on A Cylindrical and Conical Composite Horn［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2008，38（2）：95－97.

［17］趙學(xué)慧，林書玉.一種新型扭轉(zhuǎn)振動(dòng)超聲變幅桿研究［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39（5）：39－42.

Zhao Xuehui，Lin Shuyu.Study on a New Type of Torsional Vibration Ultrasonic Horn［J］.Journal of Shaanxi Normal University，2011，39（5）：39－42.

［18］姚志遠(yuǎn)，楊東，趙淳生.桿結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功率流分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（24）：56－60.

Yao Zhiyuan，Yang Dong，Zhao Chunsheng.Structure Design and Power Flow Analysis of Barstructure Linear Ultrasonic Motors［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（24）：56－60.

［19］趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.