WorkBench 里通过模态分析能得到固有频率，还能通过动画看到不同阶数的振型。对于其他基于模态扩展的线性动力学分析，模态分析还能提供振型、有效质量这些基本动力学参数。下面说说利用 ANSYS WorkBench 软件对超声振子喷头进行模态分析的过程和结果。根据上一节对超声振子喷头的结构设计，用 CAD 软件 SolidWorks 做出超声振子喷头的三维模型，再把这个三维模型导入到 ANSYS WorkBench 里，建立工程项目。因为模型不是简单的规则体，所以采用四面体单元划分法，用 Patch Confroming 算法来划分网格。而且这个模型很多地方是圆形的，在上下端和中间法兰盘那里需要过渡，还有法兰盘上用来定位的孔也需要把网格细化，所以要打开 Mesh 里的高级尺寸函数，选 Adaptive，同时把全局网格大小设为 Medium。模态分析有有约束的普通模态和无约束的自由模态这两种。因为模型有没有约束，会直接影响它的刚度矩阵，所以自由模态和普通约束模态相比，除了前 6 阶刚体模态不一样，后面的结果大多也不一样，会出现自由模态遗漏普通模态的固有频率，甚至出现结果是同一振型但频率差很多的情况。所以，模态分析必须根据实际的工作情况来确定约束条件。要产生共振，不光需要外界激励频率接近模型固有频率，还要求激励对这个模型固有频率对应的振型做功，而且激励的能级要足够大。超声波在超声振子喷头里是纵向传播的，为了让超声能量得到最大程度的利用，要让超声振子喷头在工作频率下达到共振，而且在这个谐振频率下超声振子喷头的振型是纵向振动。考虑到变幅杆的设计是基于半波长理论，整个超声振子喷头全长大概是全波长，从振型图能看出来，在三个纵向振动的模态振型里，第 25 阶模态振型符合条件，这时候固有频率是 29719Hz，和理论设计的 30KHz 相比，误差是 0.94%，这就说明超声振子喷头总体设计是合理的。同时从第 25 阶模态云图能看到，最大位移发生在变幅杆小端那里，这也符合变幅杆的设计要求。模态分析和结构受到的载荷没有直接关系，所以不知道外界激励频率和固有频率达到共振的时候，模型振幅的具体数值。谐响应分析是研究结构在不同持续频率的周期载荷作用下的动力响应。谐响应分析得到的位移、应力结果是真实的，不像模态分析得到的位移、应力结果是相对值，所以可以用谐响应计算结果当作动强度、动刚度的校核指标。谐响应分析的主要输出结果是幅值和相位。从超声振动加工的原理出发，研究了超声波换能器的原理和变幅杆设计理论，设计了超声波振动驱动的高粘度流体材料 3D 打印喷头，还利用 ANSYS WorkBench 软件对设计的超声振子喷头进行了模态分析和谐响应分析，结果显示，超声振子喷头第 25 阶模态是纵向振动，它的共振频率接近设计频率，同时振型符合变幅杆设计要求，这就验证了超声振子喷头结构设计是合理的。对高粘度流体材料在超声振子喷头内的流动进行仿真分析很重要，这对后面 3D 打印成型工艺参数的实验探究有指导意义。