随着我国经济和社会的发展,人口老龄化逐年加重,颈椎病、腰间盘突出等各类骨科疾病发病率日益升高。在临床骨科手术中,某些骨科手术例如脊椎外科、微创神经外科等手术对操作精度和操作安全性要求很高,然而目前传统的骨科手术工具在精准切割方面劣势很大,容易造成骨组织、周边血管及神经组织的机械损伤。由于超声骨刀具有组织选择性切削、切削精确度高,能够有效止血等特性逐渐受到临床骨科手术的青睐。但是目前超声骨刀的开发和研究仍处于初级阶段,超声骨刀的切削机理也尚不完善。针对这些问题,本文以超声骨刀为研究对象,探究超声骨刀的整体设计方法和优化思路,运用有限元对超声骨刀的振动特性进行详细分析,并对超声骨刀)的组织选择性和切削性能进行初步探索。研究成果对后续开发高性能的超声骨刀)、打破国外市场垄断具有重要意义。本文首先根据超声波的波动理论,运用传统解析法推导了超声换能器和超声变幅杆的频率方程,确定了各部分的初始尺寸。并在此基础上结合超声骨刀的实际使用需求,提出了超声骨刀完整的结构选择和设计思路,完成了超声骨刀的理论设计,为后续优化、仿真和实验奠定了理论基础。通过ANSYS Workbench对不同形状超声变幅杆的性能进行对比分析,验证了本文变幅杆选择的正确性。然后采用响应曲面法对超声骨刀各部分尺寸进行了敏感性分析,并得到了超声骨刀的最优设计尺寸。最后通过对优化后的超声骨刀进行模态分析和谐响应分析,得到了超声骨刀详细的振动特性。振动特性结果显示:超声骨刀的振动方式为纵振,共谐振频率为40018Hz。最大输出振幅出现在超声刀头的末端,幅值约为120 m,最大应力出现在超声刀头末端阶梯处,最大值为 721MPa。利用阻抗分析仪对加工装配后的超声骨刀进行了导纳特性分析,结果显示超声骨刀性能优良,共振频率和振动模式均与仿真结果一致,确定了超声骨刀的动态性能参数。然后搭建了超声骨刀振幅测量平台,对超声骨刀振幅测量的结果显示,超声骨刀的输出振幅可达110-130 m,与仿真结果基本一致,满足临床手术中超声骨刀的使用需求。结合超声波的能量传递原理对超声骨刀的切削机理进行了系统的分析,研究了超声骨刀具有组织选择性的原因。最后通过搭建超声骨刀切削实验平台,以骨水泥为试验对象,研究了不同功率、有无冷却对超声骨刀的切削性能的影响。实验结果表明:随着切削功率的增加,切削深度、切削宽度都逐渐增大、切削时间逐渐降低,超声骨刀的切削效率增加。但同时会导致发热增加,表面完整性降低。