题目：超声手术刀振动系统的优化设计

    近年来，随着超声手术刀使用经验的积累，机理研究的不断深入，其应用已从最早眼科手术发展到的超声骨科手术、超声外科吸引、超声止血手术等，广泛应用于医院胸外科，泌尿外科，妇科，五官科及头颈外科多个科室部门。因其切割速度快，手术时间短，而减轻了体力强度；同时，切割凝血，手术烟雾极少，视野更清晰，切割操作安全，组织焦痂少，便于组织分离等特点得到了医院各个科室的广泛使用。超声手术刀的研究和生产在国内外已有多年。但是，超声手术刀存在电声转换效率低，刀头易磨损，使用寿命短，机理研究不足等问题。因此，为了解决这些问题本文对超声手术刀的振动系统进行理论上的优化研究和设计。
超声手术刀振动系统中的换能器电源由驱动电压提供，当电源电压的频率与超声手术刀振动系统频率一致时，电声转换效率高，振动效果最佳，刀头振动幅度最大，声能将最大限度的传递到刀头，减少刀头切割磨损。如果电源电压的频率与超声手术刀振动系统频率不致时，振动系统的输出功率和效率降低，振幅减小，电声转换效率低，刀头易磨损。因此，关于超声手术刀振动系统的谐振频率的选定，及各部件尺寸的设计十分重要。刀头是切割式超声手术刀的一个重要组成部分，以往在研究切割式超声手术刀时只是将刀头看作整体振动系统的负载，没有对刀头进行具体的理论分析，其实刀头与变幅杆在一些方面类似，利用变幅杆振动理论，对刀头进行了理论分析和研究，利用其理论分析和研究的结果，来设计超声手术刀振动系统，减少刀头切割磨损。
本文由变截面变幅杆的一维纵向振动运动方程，推导出机械四端网络的数学模型及传输特性方程，及几种常用类型的变幅杆四端网络传输矩阵的参数，从而进一步建立复合变幅杆机械四端网络的数学模型及传输特性方程，利用四端网络传输特性方程，得复合变幅杆的频率方程及两端振速比。同理对夹心式压电换能器进行理论分析，推导出夹心式压电换能器的机械四端网络的数学模型及传输特性方程，得其频率方程及两端振速比。
再设计了截面为三角形纵向振动刀头和纵-弯复合振动刀头，因为刀头与变幅杆类似，可以利用变幅杆一维纵向振动理论及弯曲振动理论，分别对这两种类型的刀头进行理论推导，得到两种类型的刀头的频率方程等，并利用有限元软件ANSYS分别进行分析。
而超声手术刀振动系统一般主要是由换能器、变幅杆和刀头这三部分组成，所以在分析和设计超声手术刀振动系统时，只要将其中的每一部分作为一个谐振单元，都分别按同一频率分别设计，最终将每一部分级联起来进行设计及分析。本文分别设计纵向振动和纵-弯复合振动超声手术刀的刀头，变幅杆及换能器的尺寸，利用有限元软件ANSYS对上述尺寸的超声手术刀振动系统进行了振动模态分析。