hírek

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Előszó

Az ultrahangos technológia fejlődésével egyre szélesebb körű az alkalmazása, apró szennyeződés-részecskék tisztítására, valamint fém vagy műanyag hegesztésére is használható. Különösen a mai műanyag termékeknél leginkább az ultrahangos hegesztést alkalmazzák, mert a csavarszerkezet elmarad, a megjelenés tökéletesebb lehet, valamint a vízszigetelés és a porszigetelés funkciója is biztosított. A műanyag hegesztő kürt kialakítása fontos hatással van a végső hegesztési minőségre és a gyártási kapacitásra. Új elektromos mérők gyártása során ultrahangos hullámokat alkalmaznak a felső és az alsó felület összeolvasztására. A használat során azonban kiderült, hogy néhány kürt be van építve a gépre, és megrepedt, és más hibák rövid időn belül bekövetkeznek. Néhány hegesztő kürt A hibák aránya magas. A különféle hibák jelentős hatással voltak a gyártásra. A megegyezés szerint a berendezésszállítók korlátozott tervezési képességekkel rendelkeznek a kürt számára, és gyakran a tervezési mutatók elérése érdekében többszöri javítással. Ezért szükséges a saját technológiai előnyeink felhasználása a tartós kürt és az ésszerű tervezési módszer kifejlesztéséhez.

2 Ultrahangos műanyag hegesztési elv

Az ultrahangos műanyag hegesztés olyan feldolgozási módszer, amely a hőre lágyuló műanyagok kombinációját használja a nagyfrekvenciás kényszerrezgés során, és a hegesztőfelületek egymással dörzsölődve helyi magas hőmérsékletű olvadást eredményeznek. A jó ultrahangos hegesztési eredmények eléréséhez berendezésekre, anyagokra és folyamatparaméterekre van szükség. Az alábbiakban röviden bemutatom annak elvét.

2.1 Ultrahangos műanyag hegesztő rendszer

Az 1. ábra a hegesztő rendszer vázlatos képe. Az elektromos energiát a jelgenerátoron és az erősítőn vezetik át, hogy ultrahangos frekvenciájú (> 20 kHz) váltakozó elektromos jelet hozzanak létre, amelyet a jeladóra (piezoelektromos kerámia) vezetnek. A jelátalakítón keresztül az elektromos energia a mechanikai rezgés energiájává válik, és a mechanikus rezgés amplitúdóját a kürt a megfelelő munkaamplitúdóhoz igazítja, majd a kürtön keresztül egyenletesen továbbítja a vele érintkező anyagba. A két hegesztőanyag érintkezési felülete nagyfrekvenciás kényszerrezgésnek van kitéve, és a súrlódási hő helyi magas hőmérsékletű olvadást eredményez. Lehűlés után az anyagokat egyesítik a hegesztés elérése érdekében.

A hegesztő rendszerben a jelforrás egy áramköri rész, amely olyan erősítő áramkört tartalmaz, amelynek frekvenciastabilitása és meghajtóképessége befolyásolja a gép teljesítményét. Az anyag hőre lágyuló műanyag, és az illesztési felület kialakításánál figyelembe kell venni, hogyan lehet gyorsan hőt és dokkot létrehozni. Az átalakítók, a szarvak és a szarvak mechanikai szerkezeteknek tekinthetők a rezgésük összekapcsolásának egyszerű elemzése érdekében. A műanyag hegesztés során a mechanikai rezgés hosszirányú hullámok formájában terjed. A tervezés lényege, hogy hogyan lehet hatékonyan átvinni az energiát és beállítani az amplitúdót.

2.2kürt

A kürt az érintkezési interfészként szolgál az ultrahangos hegesztőgép és az anyag között. Fő feladata, hogy a variátor által kibocsátott hosszanti mechanikus rezgést egyenletesen és hatékonyan továbbítsa az anyagba. A felhasznált anyag általában kiváló minőségű alumíniumötvözet vagy akár titánötvözet. Mivel a műanyagok kialakítása sokat változik, a megjelenés nagyon eltérő, és a kürtnek ennek megfelelően kell változnia. A munkafelület alakjának jól illeszkednie kell az anyaghoz, hogy rezgéskor ne sértse meg a műanyagot; ugyanakkor az első rendű hosszirányú rezgés szilárd frekvenciáját össze kell hangolni a hegesztőgép kimeneti frekvenciájával, különben a rezgési energiát belülről fogyasztják. Amikor a kürt rezeg, helyi stresszkoncentráció lép fel. Ez a helyi struktúra optimalizálása szintén tervezési szempont. Ez a cikk azt vizsgálja, hogyan lehet az ANSYS tervezési kürtöt alkalmazni a tervezési paraméterek és a gyártási tűrések optimalizálására.

3 hegesztő kürt kialakítás

Mint korábban említettük, a hegesztő kürt kialakítása meglehetősen fontos. Kínában sok olyan ultrahangos berendezés-beszállító van, amely saját hegesztő kürtöt gyárt, de jelentős részük utánzat, majd folyamatosan vágja és teszteli. Ezzel az ismételt beállítási módszerrel a kürt és a berendezés frekvenciájának összehangolása érhető el. Ebben a cikkben a végeselemes módszerrel meghatározható a frekvencia a kürt tervezésekor. A kürt teszt eredménye és a tervezési frekvencia hiba csak 1%. Ugyanakkor ez a cikk bevezeti a DFSS (Design For Six Sigma) koncepcióját a kürt optimalizálása és robusztus kialakítása érdekében. A 6-Sigma design koncepciója az, hogy teljes mértékben összegyűjtse az ügyfél hangját a tervezési folyamat során a célzott tervezés érdekében; valamint a gyártási folyamat lehetséges eltéréseinek előzetes mérlegelése annak biztosítása érdekében, hogy a végtermék minősége ésszerű szinten eloszlasson. A tervezési folyamatot a 2. ábra mutatja. A tervezési mutatók kidolgozásától kezdve a kürt szerkezetét és méreteit kezdetben a meglévő tapasztalatoknak megfelelően alakítják ki. A paraméteres modellt az ANSYS-ben hozzák létre, majd a modellt a szimulációs kísérlet tervezésének (DOE) módszerével határozzák meg. A robusztus követelményeknek megfelelően fontos paraméterek határozzák meg az értéket, majd az alprobléma módszerével optimalizálják a többi paramétert. Figyelembe véve az anyagok és a környezeti paraméterek hatását a kürt gyártása és felhasználása során, tűréshatárokkal is tervezték, hogy megfeleljenek a gyártási költségek követelményeinek. Végül a gyártás, a teszt és a tesztelmélet tervezése és a tényleges hiba, hogy megfeleljenek a szállított tervezési mutatóknak. A következő lépésről-lépésre részletes bevezetés.

20200117113651_36685

3.1 Geometriai alakzat kialakítása (paraméteres modell létrehozása)

A hegesztő kürt megtervezése először meghatározza annak hozzávetőleges geometriai alakját és szerkezetét, valamint létrehoz egy paraméteres modellt a későbbi elemzéshez. A 3. a) ábra a legelterjedtebb hegesztő kürt kialakítása, amelyben egy körülbelül U alakú horony nyílik a rezgés irányában egy körülbelül téglalap alakú anyagon. A teljes méret az X, Y és Z irány hossza, az X és Y oldalméretek pedig általában összehasonlíthatók a hegesztett munkadarab méretével. A Z hossza megegyezik az ultrahangos hullám fél hullámhosszával, mert a klasszikus rezgéselméletben a hosszúkás tárgy elsőrendű axiális frekvenciáját a hossza határozza meg, és a félhullám hossza pontosan illeszkedik az akusztikai hullámhosszhoz. hullám frekvencia. Ezt a kialakítást kibővítették. Használata előnyös a hanghullámok terjedésének szempontjából. Az U alakú horony célja a kürt oldalirányú rezgésvesztésének csökkentése. A helyzetet, méretet és számot a kürt teljes mérete alapján határozzák meg. Látható, hogy ebben a kialakításban kevesebb a szabadon szabályozható paraméter, ezért ezen az alapon hajtottunk végre fejlesztéseket. A 3. b) ábra egy újonnan tervezett kürt, amelynek még egy méretparamétere van, mint a hagyományos kialakítás: a külső ívsugár. Ezenkívül a horony be van vésve a kürt munkafelületére, hogy együttműködjön a műanyag munkadarab felületével, ami előnyös a vibrációs energia továbbítására és a munkadarab megóvására a sérülésektől. Ezt a modellt rutinszerűen paraméteresen modellezik az ANSYS-ben, majd a következő kísérleti tervet.

3.2 DOE kísérleti tervezés (fontos paraméterek meghatározása)

A DFSS a gyakorlati mérnöki problémák megoldására jött létre. Nem a tökéletességre törekszik, hanem hatékony és robusztus. Megtestesíti a 6-Sigma ötletét, rögzíti a fő ellentmondást, és elveti a „99,97% -ot”, miközben megköveteli, hogy a tervezés meglehetősen ellenálló legyen a környezeti változékonysággal szemben. Ezért a célparaméterek optimalizálása előtt először át kell szűrni, és ki kell választani azt a méretet, amely fontos hatást gyakorol a szerkezetre, és értékeiket a robusztussági elv szerint kell meghatározni.

3.2.1 DOE paraméter beállítása és DOE

A tervezési paraméterek a kürt alakja és az U alakú horony méretpozíciója stb., Összesen nyolc. A célparaméter az elsőrendű axiális rezgési frekvencia, mivel ez befolyásolja a legnagyobb mértékben a varratot, és a maximális koncentrált feszültség és a munkafelület amplitúdójának különbsége állapotváltozóként korlátozott. A tapasztalatok alapján feltételezzük, hogy a paraméterek hatása az eredményekre lineáris, ezért minden tényezőt csak két szintre állítanak: magasra és alacsonyra. A paraméterek és a hozzájuk tartozó nevek listája a következő.

A DOE-t az ANSYS-ben hajtják végre a korábban létrehozott paraméteres modell segítségével. A szoftveres korlátozások miatt a teljes faktorú DOE legfeljebb 7 paramétert használhat, míg a modell 8 paramétert tartalmaz, és az ANSYS DOE eredményeinek elemzése nem olyan átfogó, mint a professzionális 6-sigma szoftver, és nem képes kezelni az interakciókat. Ezért az APDL segítségével DOE ciklust írunk a program eredményeinek kiszámításához és kivonásához, majd az adatokat elemzés céljából a Minitab-ba tesszük.

3.2.2 A DOE eredmények elemzése

A Minitab DOE elemzése a 4. ábrán látható, és magában foglalja a fő befolyásoló tényezők elemzését és az interakció elemzését. A fő befolyásoló tényező-elemzést arra használják, hogy meghatározzák, melyik tervváltozó-változásoknak van nagyobb hatása a célváltozóra, ezáltal jelezve, hogy melyek a fontos tervezési változók. Ezután elemzik a tényezők közötti kölcsönhatást a tényezők szintjének meghatározása és a tervezési változók közötti összekapcsolódás csökkentése érdekében. Hasonlítsa össze más tényezők változásának mértékét, ha a tervezési tényező magas vagy alacsony. A független axióma szerint az optimális kialakítás nincs összekapcsolva egymással, ezért válassza a kevésbé változó szintet.

A cikkben szereplő hegesztő kürt elemzési eredményei a következők: a fontos tervezési paraméterek a külső ívsugár és a kürt résszélessége. Mindkét paraméter szintje „magas”, vagyis a sugár nagyobb értéket vesz fel a DOE-ben, és a horonyszélesség is nagyobb értéket vesz fel. Meghatároztuk a fontos paramétereket és azok értékeit, majd számos más paramétert alkalmaztunk az ANSYS-ben a tervezés optimalizálásához, hogy a kürt frekvenciáját a hegesztőgép működési frekvenciájához igazítsuk. Az optimalizálás folyamata a következő.

3.3 Célparaméterek optimalizálása (kürt frekvencia)

A tervezésoptimalizálás paraméterbeállításai hasonlóak a DOE-hez. A különbség az, hogy két fontos paraméter értékét határozták meg, a másik három paraméter pedig az anyag tulajdonságaihoz kapcsolódik, amelyeket zajnak tekintenek és nem optimalizálhatók. A fennmaradó három beállítható paraméter a rés axiális helyzete, a hossz és a kürt szélessége. Az optimalizálás az ANSYS-ben a részprobléma-közelítő módszert használja, amely a mérnöki problémákban széles körben alkalmazott módszer, és a konkrét folyamat elmarad.

Érdemes megjegyezni, hogy a frekvencia célváltozóként való használata kevés műveletet igényel. Mivel sok tervezési paraméter és sokféle variációs tartomány létezik, a kürt rezgési módjai sokfélék az érdekes frekvenciatartományban. Ha a modális elemzés eredményét közvetlenül felhasználják, akkor nehéz megtalálni az elsőrendű axiális módot, mert a modális szekvencia összefonódása akkor fordulhat elő, amikor a paraméterek megváltoznak, vagyis megváltozik az eredeti módnak megfelelő természetes frekvencia sorszám. Ezért ez a cikk először a modális elemzést alkalmazza, majd a modális szuperpozíciós módszert alkalmazza a frekvencia-válasz görbe megszerzésére. A frekvencia-válasz görbe csúcsértékének megtalálásával biztosíthatja a megfelelő modális frekvenciát. Ez nagyon fontos az automatikus optimalizálási folyamatban, így nincs szükség a modalitás manuális meghatározására.

Az optimalizálás befejezése után a kürt tervezett működési frekvenciája nagyon közel lehet a célfrekvenciához, és a hiba kisebb, mint az optimalizálásban megadott tűrésérték. Ezen a ponton alapvetően meghatározzák a kürt kialakítását, majd a gyártás tervezési tűrései következnek.

20200117113652_29938

3.4 Tolerancia kialakítása

Az általános szerkezeti tervezés az összes tervezési paraméter meghatározása után elkészül, de a mérnöki problémákhoz, különösen a tömeggyártás költségeinek figyelembevételéhez, a tolerancia kialakítása elengedhetetlen. Az alacsony pontosság költsége is csökken, de a tervezési metrikák teljesítésének képessége statisztikai számításokat igényel a kvantitatív számításokhoz. Az ANSYS-ben található PDS valószínűségi tervező rendszer jobban elemezheti a tervezési paraméterek toleranciája és a célparaméterek toleranciája közötti kapcsolatot, és teljes kapcsolódó jelentésfájlokat generálhat.

3.4.1 A PDS paramétereinek beállításai és számításai

A DFSS elképzelése szerint a tolerancia-elemzést fontos tervezési paramétereken kell elvégezni, és egyéb általános tűréseket empirikusan meg lehet határozni. A helyzet ebben a cikkben egészen különleges, mert a megmunkálási képesség szerint a geometriai tervezési paraméterek gyártási tűrése nagyon kicsi, és csekély hatást gyakorol a végső kürt frekvenciájára; míg a nyersanyagok paraméterei a beszállítók miatt nagymértékben eltérnek, és a nyersanyagok ára a kürt feldolgozási költségeinek több mint 80% -át teszi ki. Ezért ésszerű tolerancia-tartományt kell meghatározni az anyag tulajdonságaihoz. A lényeges anyagtulajdonságok itt a sűrűség, a rugalmassági modulus és a hanghullám terjedési sebessége.

A tolerancia-analízis az ANSYS-ben végzett véletlenszerű Monte Carlo-szimulációt használja a Latin Hypercube-módszer mintavételezésére, mert ezáltal a mintavételi pontok eloszlása ​​egységesebbé és ésszerűbbé válhat, és kevesebb ponttal jobb korrelációt kaphat. Ez a cikk 30 pontot határoz meg. Tegyük fel, hogy a három anyagparaméter tűrése Gauss szerint oszlik meg, kezdetben megadva egy felső és alsó határt, majd ANSYS-ben számítva.

3.4.2 A PDS eredmények elemzése

A PDS kiszámításával megadjuk a 30 mintavételi pontnak megfelelő célváltozó értékeket. A célváltozók megoszlása ​​ismeretlen. A paramétereket a Minitab szoftver segítségével újra illesztjük, és a frekvenciát alapvetően a normál eloszlásnak megfelelően osztjuk el. Ez biztosítja a tolerancia-elemzés statisztikai elméletét.

A PDS számítás illeszkedő képletet ad a tervezési változótól a célváltozó tűrésbővítéséig: ahol y a célváltozó, x a tervezési változó, c a korrelációs együttható és i a változó száma.

Eszerint az egyes tervezési változókhoz hozzárendelhető a céltolerancia a tolerancia-tervezés feladatának elvégzéséhez.

3.5 Kísérleti ellenőrzés

Az elülső rész a teljes hegesztő kürt tervezési folyamata. A befejezés után az alapanyagokat a tervezés által megengedett anyagtűréseknek megfelelően megvásárolják, majd a gyártáshoz szállítják. A gyakoriság és a modális tesztelés a gyártás befejezése után történik, és az alkalmazott vizsgálati módszer a legegyszerűbb és leghatékonyabb mesterlövész teszt módszer. Mivel a leginkább érintett index az elsőrendű axiális modális frekvencia, a gyorsulásérzékelő a munkafelülethez van rögzítve, a másik végét pedig az axiális irány mentén ütik meg, és a kürt tényleges frekvenciája spektrális elemzéssel meghatározható. A tervezés szimulációs eredménye 14925 Hz, a teszt eredménye 14954 Hz, a frekvencia felbontása 16 Hz, a maximális hiba pedig kevesebb, mint 1%. Látható, hogy a modális számításban a végeselem szimuláció pontossága nagyon magas.

A kísérleti teszt teljesítése után a kürtöt gyártják és összeszerelik az ultrahangos hegesztőgépen. A reakció állapota jó. A munka több mint fél éve stabil, a hegesztési képesítési ráta magas, ami meghaladta az általános berendezésgyártó által ígért három hónapos élettartamot. Ez azt mutatja, hogy a tervezés sikeres volt, és a gyártási folyamatot nem módosították és módosították többször, ezzel időt és munkaerőt takarítva meg.

4 Következtetés

Ez a cikk az ultrahangos műanyag hegesztés elvével indul, mélyen megragadja a hegesztés technikai fókuszát, és javaslatot tesz az új kürt tervezési koncepciójára. Ezután használja a véges elemek hatékony szimulációs funkcióját a tervezés konkrét elemzéséhez, és vezesse be a DFSS 6-Sigma tervezési ötletét, és az ANSYS DOE kísérleti tervezés és a PDS tolerancia elemzés segítségével vezérelje a fontos tervezési paramétereket a robusztus tervezés elérése érdekében. Végül a kürt egyszer sikeresen elkészült, és a kísérleti frekvenciateszt és a tényleges gyártásellenőrzés alapján ésszerű volt a tervezés. Ez azt is bizonyítja, hogy ez a tervezési módszerkészlet megvalósítható és hatékony.


Feladás időpontja: 2020.04.11