当前国防军工、新能源等领域的高端装备技术飞速发展,对大尺寸、异形、深腔、曲面等复合材料构件的整体制造技术要求越来越苛刻,而超声辅助加工在硬脆材料的加工领域具有独特的优势,因此适用于大尺寸、异形深腔、曲面等构件整体加工的超声辅助加工系统的研制也备受关注。目前,该系统中的大长径比变幅杆和杯形变幅杆的研制尚未得到很好的解决,本文对此系统展开如下研究:一、对超声换能器进行了解析设计和优化,利用仿真对换能器进行了模态分析、谐响应分析、导纳特性分析,分别获得了换能器的谐振频率、振型与前后输出端的幅频曲线和导纳特性图。通过实验对换能器进行了阻抗和振幅的测量,可稳定输出工作频率25.3kHz,振幅为4.2μm。阐述了非接触电能传输装置的结构和原理,同时分析了原、副边电路的匹配形式。仿真表明:该装置的磁芯间隙为0.5mm时传递效率达到75%左右,磁芯间隙为1mm时传递效率达到60%左右。二、基于传输矩阵理论设计了圆锥复合、指数复合和悬链复合的三种大长径比变幅杆,并建立有限元模型对其进行模态分析和刚度分析。研制了三种变幅杆并对其进行振动性能测试和工作稳定性实验。结果表明设计频率与仿真和实验频率基本一致,且悬链复合变幅杆杆各项性能表现最好。三、基于弯曲振动理论、耦合振动理论和变幅杆设计理论,结合有限元分析,设计了一种超声杯形变幅杆。研究了其结构刚度和耦合动力学,研究表明杯形杆的刚度较好,且当变幅杆与杯形头的谐振频率相同或相近时,耦合效果最好,输出振幅最大。利用限元仿真和实验测试,研究了杯形头的壁高、底厚、内径和外圆倒角对杯形变幅杆模态的影响,研究表明:杯形变幅杆的固有频率随着杯形头的底厚减小而降低;随着杯形头的壁高、内径减小而升高;随着外圆倒角的增大变化不大,且实测结果与仿真分析基本一致。对设计的杯形变幅杆进行阻抗特性和振幅特性分析,实验表明:振动系统声电转换效率高,工作性能稳定,杯形头输出端面振幅变化不大,为7~8.0μm,与轴向夹角为70.2度左右,且沿轴向方向越靠近输出端输出振幅越大,两种实验结果与仿真结果一致。