功率超声作为一项绿色、无污染的技术,通过超声波在媒质中传播时产生的机械、空化、热学等效应,解决了工业、农业、医疗等方面很多关键性的问题。超声振动系统是其重要组成部分,主要包括超声波发生器、换能器以及变幅杆三部分,在实际工作时,还会在前端安装工具头。换能器的作用是将电功率转换为机械振动,其辐射端面的振动幅度一般只有几微米。在超声加工及处理中,输出端面的振动幅度一般需要几十到几百微米,换能器必须端接变幅杆将振幅放大。因此,设计性能较好变幅杆,不仅能够提高和改善超声加工和处理的效率,而且延长了换能器的使用寿命。放大系数是变幅杆的重要性能参数,不同的形状和材料对于变幅杆的放大系数有较大影响。有时候需要放大系数和稳定性都较好的变幅杆,通常输出面积小于输入端面积,使得超声能量可以集中在较小的输出端面上,以实现聚能的作用。而在大振幅功率超声应用中,在换能器的输入电功率恒定的条件下,需要变幅杆的输出端的面积较大也能实现聚能,能更大范围地作用于超声加工或超声处理的对象。针对上述问题,利用有限元软件在对变幅杆模型进行仿真计算,使用优化方法来获得较大放大系数,具体工作如下:(1)根据一维纵向振动可变截面杆的波动方程推导三段式复合变幅杆的性能公式,计算了指数-圆柱和指数-圆锥复合变幅杆的频率方程和放大倍数,编制程序,在谐振频率一定的条件下,优化了变幅杆两段杆的长度,得到最大的放大倍数。(2)在频率不变时分别对指数-圆柱和指数-圆锥复合变幅杆两部分长度进行了多变量优化设计,得到最大的放大倍数。利用有限元软件对两种变幅杆建模、模态计算和参数化优化设计。传统解析法和有限元法优化后得到的结果基本一致,后者得到了变幅杆的振型、位移分布及应力分布曲线,并与优化前进行了比较,可知有限元优化设计方法可以有效的优化变幅杆长度并获得最大的放大倍数。(3)对于大振幅功率超声应用,增加放大倍数,第一种方法是级联多级变幅杆,第二种方法是增加换能器的输入电功率。前者会增加成本,后置则会缩短换能器的寿命。针对以上问题,提出了一种前端开有横向矩形通孔的柱形杆。通过有限元软件计算开孔柱形杆振幅放大比和输出端面的位移分布,分析孔的尺寸对开孔柱形杆谐振频率的影响,对开孔尺寸进行优化设计得到了给定频率下的最大放大倍数,结果表明:变幅杆输出端既有纵振动,也有弯曲振动,两者合成后,与传统变幅杆相比放大倍数有大幅提高,谐振频率受孔离端面距离t的影响较大而对开孔长度a和开孔宽度b影响较小。并对孔周围应力相对值进行计算,优化前后应力分布曲线较为光滑,没有应力突变。(4)加工了实心圆柱杆以及优化前后的开孔柱形杆,通过激光测振仪对它们的谐振频率、输出端面的位移分布及振型、相对于杆输入端的振幅放大倍数进行测试。实验测试结果与理论计算吻合良好,测试结果还表明开孔后的柱形杆连接到换能器后,激励电压与开孔柱形杆输出端面振幅呈线性关系。