超声波洁牙机手柄的有限元分析毕业论文.docx

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超声波洁牙机手柄的有限元分析毕业论文

中文摘要3

Abstract4

第一章绪论5

1.1本文研究的背景及其意义5

1.1.1超声波洁牙机手柄的工作原理5

1.1.2超声波洁牙机手柄研究的重要意义5

1.2国内外超声波洁牙机手柄的发展简史和研究现状5

1.2.1超声波洁牙手柄的发展简史5

1.2.2超声波洁牙机手柄的研究现状6

1.3超声波洁牙机的特点及其应用7

1.3.1与传统的洁牙机（手柄）的比较7

1.3.2超声波洁牙机（手柄）的特点7

1.3.3超声波洁牙机（手柄）存在的缺点及其不足7

1.4论文研究的主要内容7

第二章压电现象8

2.1引言8

2.2压电效应8

2.2.1纵向和横向压电效应9

2.2.2压电性9

2.2.3名词解释9

2.3压电效应参数10

第三章超声波洁牙机手柄换能器及其变幅杆的理论设计11

3.1压电材料及其性能11

3.2压电换能器的结构形式、特点及频率公式13

3.3夹心式压电换能器13

3.3.1夹心换能器的设计13

3.4超声波变幅杆的理论设计15

3.4.1超声波变幅杆概述15

3.4.2变截面杆纵振动的波动方程16

3.5变幅杆分析小结18

第四章超声波洁牙机手柄的结构优化设计19

4.1引言19

4.2有限元分析法及其有限元分析软件简介20

4.2.1有限元分析法20

4.2.2有限元分析软件ANSYS21

4.3超声波洁牙机手柄的换能器和变幅杆的有限元分析及仿真25

4.3.1超声波洁牙机手柄的换能器和变幅杆的有限元模型25

4.3.2超声波洁牙机手柄的模态分析27

4.3.3不同长度换能器振动模态及其共振频率分析27

4.4超声波洁牙机手柄的优化设计37

4.4.1振动频率和节点位置随压电陶瓷片厚度的变化37

4.4.2振动频率和节点位置随后盖板厚度的变化40

4.5本章总结42

第五章总结与展望44

参考文献：

44

致谢45

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

超声波洁牙机手柄的有限元分析

中文摘要

随着人么生活水平的提高，人们越来越重视牙齿的健康和清洁，超声波洁牙机作为一种安全，便捷的洁牙仪器得到广泛的应用。

超声波洁牙机工作原理一般认为是这利用了超声在液体中的“空穴效应”。

超声波洁牙机的清洁原理，在于利用超声波振动清水，使微细的真空气泡在水里产生，当真空气泡爆破时释放了储存在气泡里面的能量，释放温度约摄氏5000度以及超过10,000磅吋的压力将物件表面的油脂或污垢带走。

超声波洁牙机手柄作为洁牙机的主要工作部分，主要作用是把高频的超声波电信号转换成高频振动，为了使电能和机械能的转换率达到最高，也就是让压电陶瓷的固有频率和换能器，变幅杆的振动频率相一致，产生最大共振。

本文基于有限元分析法，针对超声波洁牙机手柄进行了比较详细的研究与讨论。

第一步概括的介绍超声波洁牙机手柄的基本结构和工作原理，其中包含压电陶瓷的压电效应，性能特点，常见概念等等。

通过改变超声波洁牙机手柄的各个结构参数，主要是指长度方面的，对于不同的结构参数，在Solidworks中建模然后导入到ANSYSWorkbench中进行模态分析，观察不同的结构参数对对超声波洁牙机手柄振动的固有频率和节点位子的影响，之后选择最佳频率状态下所对应的超声波洁牙机手柄的结构参数，这样就可以达到优化的效果，作为超声波洁牙机手柄设计的理论参考。

关键词：

超声波，洁牙机手柄，有限元分析，结构优化

FEAofUltrasonicTeethCleanerHandle

MajorMechanicalDesign,ManufacturingandAutomation

StudentYangBoTutorFuBo

Abstract

Withtheimprovementofpeople’slivingstandard,thereisagrowingemphasisondentalhealthandcleaning,ultrasonicscalerasasafe,convenientscalinginstrumentiswidelyused.Theworkingprincipleofultrasonicscalerisgenerallyconsideredthattheuseof"holeeffect"ofultrasoundinliquid.Soultrasonicscalercleaningprincipleistouseultrasonicvibrationofwater,asthestoredenergyinthebubbleinsidereleaseswhenavacuumbubbleburst,thepressurebringawaygreaseordirtonthesurfaceoftheobjectwhenthereleasetemperatureisabout5000degreesCelsiusandmorethan10,000poundsinch.Ultrasonicscalerscalerhandleasthemainpart,itsmainfunctionistoconverthigh-frequencyultrasonictohighfrequencyvibrationsignals,inordertomakeelectricalandmechanicalenergyconversionratethehighest,thatis,tomakethenaturalfrequencyofpiezoelectricceramicandthevibrationfrequencyofthetransducerandhornlineconsistent,sothattoproducethegreatestresonance.Thearticleconductsapreliminarystudyonultrasonicscalerhandlebasedonfiniteelementanalysis.First,abriefintroductiononthestructureandworkingprincipleofultrasonicscalerhandle,includingthepiezoelectriceffect,theperformancecharacteristicsofPiezoelectricceramics.DescribedthefiniteelementanalysissoftwareANSYSWorkbench'sapplicationsinthedesignprocessofultrasonicscalerhandle,bychangingallstructuralparametersoftheultrasonicscalerhandle,mainlyreferstothelength.UseFiniteelementanalysissoftwareANSYSWorkbenchtodotheanalysisofdifferentstructuralparametersonnaturalfrequenciesofthehandle,andthenselectthestructuralparametersofthehandleunderthebestcondition,tooptimizethehandle,asthepreliminaryreferencetodesignthehandleofultrasonicscaler.

Keywords:

Ultrasonic,scalerhandle,finiteelementanalysis,structuraloptimization

第一章绪论

1.1本文研究的背景及其意义

1.1.1超声波洁牙机手柄的工作原理

超声波洁牙机是一种利用压电陶瓷（PiezoelectricCeramic）的逆压电效应超声振动。

超声波洁牙机的主机并不直接振动，而是将产生的高频电信号通过导线传输到超声波洁牙机手柄。

压电陶瓷受到激励产生振动，进而带动工作头振动。

与传统的洁牙机不同的是，超声波洁牙机不直接通过机械结构作用于牙齿，而是通过超声波（机械振动频率>20kHz）在水中产生的超声空化作用把牙齿表面的牙垢震碎清除掉。

相对有老式的纯机械式洁牙机，它对牙齿没有损害。

超声波洁牙机及其手柄是一种涉及压电学、材料学、力学以及控制理论等学科交叉的机电一体化产品。

1.1.2超声波洁牙机手柄研究的重要意义

随着人么生活水平的提高，人们越来越重视牙齿的健康和清洁，超声波洁牙机作为一种安全，便捷的洁牙仪器得到广泛的应用。

并且对洁牙机的智能化、标准化、节能性、环保性以及性价比提出了更高的要求。

通过传统的实验法研究超声波洁牙机手柄的工作方式、提高它的工作效率，已经不能满足现代市场经济的要求。

基于ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的有限元分析法，可以很好的解决这个问题，因为它不需要涉及出成品就能对其产品进行仿真，并且通过有限元方法分析手柄各部分的固有频率和振型。

通过改变尺寸达到让各个部分产生共振的效果。

这一方法现在很流行，虽然有些情况下是为了避免共振。

通过对超声波洁牙机手柄的有限元分析的研究，可以很好的了解这一过程，对以后的学习有很大的帮助。

1.2国内外超声波洁牙机手柄的发展简史和研究现状

1.2.1超声波洁牙手柄的发展简史

超声波洁牙是人类洁牙发展史的一大亮点。

从用手指摩擦洁牙到超声波洁牙，人类洁牙历史经历了一个漫长的时期。

人类在洁齿方面的战斗，可谓历史悠久。

1700年前的古埃及人就会用鸢尾花制成牙膏,然后用手指蘸取來清洁牙齿；非洲的坦桑尼亚居民则在口中反复咀嚼并搓动“洛菲拉”的树枝以达到清洁牙齿的效果。

而《礼记》中，关于“鸡初鸣，咸-漱”的记载则表明我国人民于2000年前就知道早晨要用盐水漱口了，敦煌莫高窟的壁画更证明了用手指揩齿是唐宋时期的刷牙方式。

据记载当时的“牙膏”是以茯苓等药材煮成的。

1873年,英国高露洁公司推出了世界上第一支牙膏,拉开了现代人洁齿战斗的序幕。

而今,刷牙已经成了人们日常生活中的习惯。

同时,随着社会文明的发展，人类对口腔卫生保健也越来越重视。

日常的牙刷从“手动”升级到“电动”,牙膏的功能也越来越高级,洗牙作为一种新兴的护齿保健方式,也开始受到欢迎和关注。

专业洗牙就是用超声洁齿器去除牙齿表面附着的软垢、菌斑和牙石。

它的主要目的是清洁牙齿，预防牙龈病和评估口腔清洁程度，同时也可以使你的牙齿变得更清洁明亮。

洗牙后还必须及时进行牙面磨光术，因为洗牙后牙面容易粗糙，更容易聚集牙石，此外还要配合天天刷牙来保持洗牙成果。

1.2.2超声波洁牙机手柄的研究现状

由于超声波洁牙机具有高效，省电，对牙齿危害小，清洁效果显著等特点，在人们的日常生活中得到了越来越多的应用，因而收到了很多厂商的青睐和研究。

目前，国内常见的品牌有瑞士的EMS，和国产的啄木鸟等。

当然日本和美国等制造业发达的国家已经成熟的掌握了这项技术。

国内的一些大学和研究机构主要是对现有的超声波洁牙机进行改进和优化。

随着我国压电材料的制造的成熟，自由品牌也逐渐增多，比如啄木鸟等品牌。

吴勋辉的专利一种超声波洁牙机手柄把超声波洁牙机手柄的内部各个部件设计成螺纹联接，如图1-1所示，一旦变幅杆和换能器尾座断裂，就可以快速更换新的，方便安装和维修。

图1-1一种超声波洁牙机洁牙机手柄

1.3超声波洁牙机的特点及其应用

1.3.1与传统的洁牙机（手柄）的比较

传统的洁牙机是用微型的电动机带动微型砂轮，通过砂轮的旋转把牙齿表面的牙垢去除掉。

这种方法容易对牙齿表面的釉质造成损害，而且由于砂轮的尺寸，有些地方没办法到达。

而且由于误操作造成牙龈的损害。

超声波洁牙机是一种利用压电陶瓷（PiezoelectricCeramic）的逆压电效应超声振动。

超声波洁牙机的主机并不直接振动，而是将产生的高频电信号通过导线传输到超声波洁牙机手柄。

压电陶瓷受到激励产生振动，进而带动工作头振动。

与传统的洁牙机不同的是，超声波洁牙机不直接通过机械结构作用于牙齿，而是通过超声波（机械振动频率>20kHz）在水中产生的超声空化作用把牙齿表面的牙垢震碎清除掉。

相对有老式的纯机械式洁牙机，它对牙齿没有损害。

1.3.2超声波洁牙机（手柄）的特点

现在的洁牙机手柄设计的都很小，即使是女护士也很方便的能握住。

洁牙机的工作部位就是工作头，因为口腔内环境的复杂，每个牙齿的形状都不一样，因此一般工作头都有5个左右。

每一个工作的形状都不同，可以应用不同的工作头达到不同的部位，达到不同的工作效果。

1.3.3超声波洁牙机（手柄）存在的缺点及其不足

弊端：

不能经常使用，由于它是通过超声波振动来清洁牙齿的，使用后牙齿表面会变得肉眼看不见的粗糙，频繁使用对牙齿还是会造成伤害。

价格偏贵，一般家庭不太愿意接受。

1.4论文研究的主要内容

1，设计工作频率为28khz的超声波洁牙机手柄。

2，用三维建模软件SolidWorks根据设计尺寸对手柄进行建模。

3，利用ANSYSWorkbench对不同尺寸（1，2，3）进行有限元分析，主要涉及模态分析。

以确定不同尺寸手柄的固有频率，分析最佳拥有频率的尺寸参数，为超声波洁牙机手柄的设计提供分析基础。

第二章压电现象

2.1引言

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

2.2压电效应

压电效应（英语：

Piezoelectricity），是材料中一种机械能与电能互换的现象，此现象最早是1880年由皮埃尔·居里（PierreCurie）和雅克·居里（JacquesCurie）兄弟发现。

压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。

电效应有两种，正压电效应及逆压电效应。

压电效应在声音的产生和探测，高电压的生成，电频生成，微平衡，和光学器件的超细聚焦有着重要的运用。

（a）正压电效应示意图（b）逆压电效应示意图

图2-1压电效应示意图

2.2.1纵向和横向压电效应

有两种压电效应是非常常见的，其中一种是电场的方向和形变的方向相重合，这种压电效应如图2-2（a）所示，称之为纵向压电效应；另一种是电场的方向和形变的方向相垂直，这种压电效应如图2-2（b）所示，称之为横向压电效应。

2.2.2压电性

矿物的压电性是指某些介质的单晶体，当受到定向压力或张力的作用时，能使晶体垂直于应力的两侧表面上分别带有等量的相反电荷的性质。

若应力方向反转时，则两侧表面上的电荷易号。

水晶等单晶体就具有压电性。

2.2.3名词解释

（1）压电系数

压电系数是压电体把机械能转变为电能或把电能转变成机械能的转换系数引是描述压电晶体在某一方位上的压电效应强弱的一个物理量，常用的为d压电常数。

压电系数越大，表征材料弹性性能与介电性能之间的藕合越强，材料的机电转换效率就越高。

因此，这个参数是选择压电材料的重要依据。

（2）介电常数

介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米（F/m）。

定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。

电位移D的单位是库/二次方米（C／m^2）。

某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0之比称为该电介质的相对介电常数εr，εr＝ε／ε0是无量纲的纯数，εr与电极化率χe的关系为εr＝（1＋χ）e。

真空介电常数：

ε0=8.854187817×10^-12F/m

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为相对介电常数（permittivity）,如果有高相对介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。

2.3压电效应参数

（1）泊松比

在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。

比如，一杆受拉伸时，其轴向伸长伴随着横向收缩（反之亦然），而横向应变e'与轴向应变e之比称为泊松比V。

材料的泊松比一般通过试验方法测定。

泊松比poisson’sratio在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。

注：

超过比例极限时，泊松比随应力变化而变化，实际上已不是泊松比。

此时若记录泊松比，应指出测应力值。

对于各向异性材料，泊松比随施加应力的方向变化。

泊松比的值一般都很小。

（2）杨氏模量

杨氏模数（Young'smodulus）是材料力学中的名词。

弹性材料承受正向应力时会产生正向应变，在形变量没有超过对应材料的一定弹性限度时，定义正向应力与正向应变的比值为这种材料的杨氏模量。

公式记为

其中，E表示杨氏模数，σ表示正向应力，ε表示正向应变。

第三章超声波洁牙机手柄换能器及其变幅杆的理论设计

3.1压电材料及其性能