在微型器件制造领域,将超声振动引入到聚合物熔融塑化过程,可以有效改善塑化不均、微型器件成型质量差等问题。国内外学者利用仿真方法研究超声振动对非晶聚合物生热影响时,一般假设超声换能器固有频率和振幅为定值,忽略换能器结构参数对固有频率和输出振幅的影响,以及输出振幅随时间不断变化的周期性。基于超声塑化过程中存在的问题,本文着重分析非晶聚合物黏弹性生热机理,换能器结构参数和振动激励模式对聚合物黏弹性生热过程的影响。具体研究内容如下:1)建立非晶聚合物力学模型,进行聚合物力学特征与性能分析,根据时温等效原理推导聚合物与温度有关的松弛时间公式,基于能量守恒定律,推导聚合物黏弹性生热率方程。2)基于等效电路法推导纵振超声换能器的固有频率和振幅方程,利用Mathematica软件计算纵振换能器不同结构参数下的固有频率和输出振幅,并将其固有频率和振幅代入生热率方程,使用MATLAB软件数值分析纵振换能器不同结构参数对聚合物黏弹性生热率的影响。由分析结果可知,放大比对纵振换能器频率影响最大,后盖板厚度、前盖板厚度和工具头长度影响次之,影响最小的是陶瓷片厚度和变幅杆长度。当聚合物温度低于玻璃化转变温度(105℃)时,聚合物的黏弹性生热率比较低,当温度超过105℃时,聚合物生热率快速上升,并且存在最大值,达到一定温度后,生热率逐渐减小。3)利用ANSYS软件建立超声纵振换能器和聚合物黏弹性生热有限元模型,仿真分析不同结构参数下的输出频率和最大振幅的变化规律,将工具头端面质点的纵向激励加载到聚合物模型质点上,研究不同结构参数对聚合物黏弹性生热过程的影响。结果表明,聚合物黏弹性生热温度随纵振激励作用时间增加而非线性升高,温度变化规律基本相同,刚开始时温度上升较慢,在达到PMMA玻璃化转变温度(105℃)后的一段时间内,温度迅速上升,升高到一定温度后温升变的缓慢。随着后盖板、陶瓷片、前盖板、变幅杆和工具头长度的增加,聚合物达到105℃所需纵振激励作用时间先减小后增加,随着放大比的增大,所需纵振激励作用时间逐渐减小。放大比对聚合物黏弹性生热过程影响最大,后盖板厚度、前盖板厚度和工具头长度次之,影响最小的是陶瓷片厚度和变幅杆长度。最后对超声换能器输出频率和生热率的解析值与仿真值进行对比,误差在允许范围内。4)对纵扭换能器进行结构设计,利用ANSYS APDL语言建立纵扭换能器结构模型,并通过模态和瞬态分析获得不同结构参数下换能器的固有频率和工具头质点最大位移,结果表明:后盖板、前盖板和放大比对换能器的输出激励影响较大,仿真分析不同后盖板厚度、前盖板厚度和放大比分别在纵振激励、扭振激励和纵扭复合激励下聚合物的黏弹性生热规律。结果表明,纵扭复合激励模式下的聚合物生热率大于单一纵振或扭振激励下的生热率;聚合物黏弹性生热率随后盖板厚度和前盖板厚度的增加逐渐降低,随放大比的增加逐渐增加。