超声加工技术在国内未得到很大程度的推广,其关键原因也是在超声加工振动系统的许多关键技术还存在技术瓶颈。其中振动系统的设计的精确程度直接影响了超声加工工作效率,因此其具有重要的研究价值。本论文运用纵向振动理论对超声振动系统的工具刀、变幅杆进行结构设计。通过理论计算得到圆直杆半波长纵向振动频率20000Hz时其长度尺寸参数,并进行有限元模态与谐振分析验证其固有频率与谐振频率。通过理论计算初步得到变幅杆的各个尺寸参数。并对变幅杆进行了模态分析与谐振分析,确定变幅杆纵向振动模态频率为19397Hz,谐振频率为18176Hz,谐振频率不在超声工作频率范围19000Hz~21000Hz内。文中还对超声加工振动系统不同关键件的联接进行了仿真处理,通过对两个关键件结合面法向接触刚度分形模型和结合面切向接触刚度分形模型研究,建立一个结合面虚拟材料模型,虚拟材料厚度和虚拟材料的材料属性可由法向分形接触刚度和切向分形接触刚度理论求得。将超声振动系统关键件联接表面使用虚拟材料进行有限元建模,通过模态分析与谐响应分析,得到纵向振动谐振频率为18979 Hz,不在超声工作频率范围19000Hz~21000Hz内,因此需要对振动系统的关键件进行尺寸优化。论文的最后部分对振动系统进行了尺寸优化,通过对振动系统进行参数化建模,然后建立优化的数学模型,利用有限元软件进行优化设计。优化以后振动系统谐振频率在超声工作频率范围19000Hz~21000Hz内的同时确保谐振频率更接近20000Hz。从而不仅使得该超声振动系统能够正常工作,还明显提升了该振动系统的超声加工效率和加工精度。