uudised

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Eessõna

Ultraheli tehnoloogia arenguga on selle rakendus üha ulatuslikum, seda saab kasutada väikeste mustuseosakeste puhastamiseks ning seda saab kasutada ka metalli või plasti keevitamiseks. Eriti tänapäevastes plasttoodetes kasutatakse enamasti ultraheli keevitamist, kuna kruvistruktuur on välja jäetud, välimus võib olla täiuslikum, samuti on ette nähtud hüdroisolatsiooni ja tolmukindluse funktsioon. Plastist keevisarve konstruktsioonil on oluline mõju lõplikule keevituskvaliteedile ja tootmisvõimsusele. Uute elektriarvestite tootmisel kasutatakse ülemise ja alumise näo kokku sulatamiseks ultraheli laineid. Kuid kasutamise ajal leitakse, et mõned sarved on masinale paigaldatud ja mõranenud ning muud rikked ilmnevad lühikese aja jooksul. Mõned keevisarved Defektide määr on kõrge. Erinevad vead on tootmist märkimisväärselt mõjutanud. Vastavalt arusaamale on seadmete tarnijad piiratud sarve projekteerimisvõimalustega ja sageli disaininäitajate saavutamiseks korduvate remonditöödega. Seetõttu on vastupidava sarve ja mõistliku disainimeetodi väljatöötamiseks vaja kasutada meie enda tehnoloogilisi eeliseid.

2 Ultraheli plastist keevitamise põhimõte

Plastist ultraheliga keevitamine on töötlemismeetod, mis kasutab termoplastide kombinatsiooni kõrgsageduslikus sundvibratsioonis ja keevituspinnad hõõrduvad üksteise vastu, tekitades kohalikku kõrgel temperatuuril sulamist. Heade ultrahelikeevituse tulemuste saavutamiseks on vaja seadmeid, materjale ja protsessi parameetreid. Järgnevalt on selle põhimõtte lühitutvustus.

2.1 Ultraheli plastist keevitussüsteem

Joonis 1 on skemaatiline vaade keevitussüsteemist. Elektrienergia juhitakse läbi signaaligeneraatori ja võimsusvõimendi, et saada vahelduv ultraheli sagedusega (> 20 kHz) elektrisignaal, mis rakendatakse andurile (piesoelektriline keraamika). Anduri kaudu muutub elektrienergia mehaanilise vibratsiooni energiaks ja mehaanilise vibratsiooni amplituudi reguleerib sarv sobiva tööamplituudini ja edastatakse seejärel sarve kaudu sellega kokkupuutuvale materjalile ühtlaselt. Kahe keevitusmaterjali kokkupuutepinnad allutatakse kõrgsageduslikule sunniviisilisele vibratsioonile ja hõõrdesoojus tekitab kohalikku kõrgel temperatuuril sulamist. Pärast jahutamist ühendatakse materjalid keevitamise saavutamiseks.

Keevitussüsteemis on signaaliallikaks vooluahela osa, mis sisaldab võimsusvõimendi ahelat, mille sageduse stabiilsus ja ajamivõime mõjutavad masina jõudlust. Materjal on termoplast ja ühenduspinna kujundamisel tuleb kaaluda, kuidas kiiresti soojust ja dokki tekitada. Andureid, sarvi ja sarvi võib kõiki pidada mehaanilisteks konstruktsioonideks, et hõlpsalt analüüsida nende vibratsiooni sidumist. Plastist keevitamisel kandub mehaaniline vibratsioon pikilainete kujul. Disaini põhipunkt on see, kuidas energiat tõhusalt edastada ja amplituudi reguleerida.

2.2sarv

Sarv on kontaktliides ultrahelikeevitusmasina ja materjali vahel. Selle peamine ülesanne on variaatori väljastatud mehaanilise pikivibratsiooni ühtlane ja tõhus edastamine materjalile. Kasutatav materjal on tavaliselt kvaliteetne alumiiniumisulam või isegi titaanisulam. Kuna plastmaterjalide disain muutub palju, on välimus väga erinev ja sarv peab vastavalt muutuma. Tööpinna kuju peaks olema materjaliga hästi sobitatud, et vibratsiooni korral plastikut mitte kahjustada; samal ajal peaks esimese järgu pikisuunalise vibratsiooni tahke sagedus olema kooskõlastatud keevitusseadme väljundsagedusega, vastasel juhul kulutatakse vibratsiooni energiat sisemiselt. Kui sarv vibreerib, tekib kohalik stressikontsentratsioon. Nende kohalike struktuuride optimeerimine on ka disaini kaalutlus. Selles artiklis uuritakse, kuidas rakendada ANSYS-i projekteerimissarve disainiparameetrite ja tootmistolerantside optimeerimiseks.

3 keevisarvekujundust

Nagu varem mainitud, on keevisarve kujundus üsna oluline. Hiinas on palju ultrahelivarustuse tarnijaid, kes toodavad ise keevitusarve, kuid märkimisväärne osa neist on jäljendused ning seejärel trimmivad ja testivad neid pidevalt. Selle korduva reguleerimismeetodi abil saavutatakse sarve ja seadme sageduse koordineerimine. Selles töös saab sarve kujundamisel sageduse määramiseks kasutada lõplike elementide meetodit. Sarvestesti tulemus ja kavandatud sageduse viga on ainult 1%. Samal ajal tutvustatakse selles dokumendis DFSS-i (Design For Six Sigma) kontseptsiooni sarve optimeerimiseks ja jõuliseks kujundamiseks. 6-Sigma disaini kontseptsioon seisneb sihipärase disaini kujundamise protsessis kliendi hääle täielikus kogumises; ja võimalike kõrvalekallete kaalumine tootmisprotsessis, et tagada lõpptoote kvaliteedi jaotumine mõistlikul tasemel. Projekteerimisprotsess on näidatud joonisel 2. Alustades projekteerimisnäitajate väljatöötamisest, kavandatakse sarve struktuur ja mõõtmed esialgu vastavalt olemasolevatele kogemustele. Parameetriline mudel kehtestatakse ANSYS-is ja seejärel määratakse mudel kindlaks simulatsioonieksperimendi (DOE) meetodil. Olulised parameetrid määravad vastavalt kindlatele nõuetele kindlaks väärtuse ja kasutavad seejärel alamprobleemi meetodit teiste parameetrite optimeerimiseks. Võttes arvesse materjalide ja keskkonnaparameetrite mõju sarve valmistamisel ja kasutamisel, on see kavandatud tolerantsidega, et see vastaks tootmiskulude nõuetele. Lõpuks tootmise, katsete ja testide teooria kavandamine ja tegelik viga, et täita tarnitud disaininäitajaid. Järgmine üksikasjalik sissejuhatus samm-sammult.

20200117113651_36685

3.1 Kuju kujundamine (parameetrilise mudeli loomine)

Keevisarve kavandamine määrab kõigepealt selle ligikaudse geomeetrilise kuju ja struktuuri ning loob järgneva analüüsi jaoks parameetrilise mudeli. Joonis 3 a) on kõige tavalisema keevissarve kujundus, milles ligikaudu ristkülikukujulisel materjalil avatakse vibratsiooni suunas hulk U-kujulisi soone. Üldmõõdud on suundade X, Y ja Z pikkused ning külgmised mõõtmed X ja Y on üldiselt võrreldavad keevitatava detaili suurusega. Z pikkus võrdub ultrahelilaine poole lainepikkusega, sest klassikalises vibratsiooniteoorias määratakse pikliku objekti esimese järgu telgsagedus selle pikkuse järgi ja poollaine pikkus sobitatakse täpselt akustilise lainega laine sagedus. Seda disaini on pikendatud. Kasutamine on kasulik helilainete levikule. U-kujulise soone eesmärk on vähendada sarve külgvibratsiooni kadu. Asukoht, suurus ja arv määratakse vastavalt sarve üldisele suurusele. On näha, et selles disainis on vähem parameetreid, mida saab vabalt reguleerida, seega oleme selle põhjal parandusi teinud. Joonis 3 b) on uus kujundatud sarv, millel on veel üks suuruse parameeter kui traditsioonilisel kujundusel: välimine kaare raadius R. Lisaks on sarve tööpinnale graveeritud soon, et teha koostööd plastist tooriku pinnaga, mis on kasulik vibratsiooni energia edastamiseks ja tooriku kaitsmiseks kahjustuste eest. Seda mudelit modelleeritakse rutiinselt parameetriliselt ANSYS-is ja seejärel järgmine eksperimentaalne disain.

3.2 DOE eksperimentaalne kavandamine (oluliste parameetrite määramine)

DFSS on loodud praktiliste inseneriprobleemide lahendamiseks. See ei taotle täiuslikkust, vaid on tõhus ja jõuline. See kehastab 6-Sigma ideed, haarab peamise vastuolu ja loobub "99,97%" -st, nõudes samas, et disain oleks keskkonnamuutlikkusele üsna vastupidav. Seetõttu tuleks enne sihtparameetri optimeerimise tegemist kõigepealt läbi sõeluda ja valida struktuurile olulist mõju avaldav suurus ning määrata nende väärtused vastavalt robustsuse põhimõttele.

3.2.1 DOE parameetrite seadistamine ja DOE

Konstruktsiooniparameetrid on sarve kuju ja U-kujulise soone suurusjoon jne, kokku kaheksa. Sihtparameeter on esimese astme aksiaalse vibratsiooni sagedus, kuna sellel on suurim mõju keevisõmblusele ning maksimaalne kontsentreeritud pinge ja tööpinna amplituudi erinevus on olekumuuturitena piiratud. Kogemuste põhjal eeldatakse, et parameetrite mõju tulemustele on lineaarne, seega on iga tegur seatud ainult kahele tasemele, kõrgele ja madalale. Parameetrite ja vastavate nimede loend on järgmine.

DOE viiakse läbi ANSYS-is, kasutades eelnevalt loodud parameetrilist mudelit. Tarkvarapiirangute tõttu saab täisteguriga DOE kasutada ainult kuni 7 parameetrit, samal ajal kui mudelil on 8 parameetrit ja ANSYSi DOE tulemuste analüüs ei ole nii terviklik kui professionaalne 6-sigma tarkvara ega saa interaktsiooniga hakkama. Seetõttu kirjutame APDL-i abil DOE-tsükli programmi tulemuste arvutamiseks ja väljavõtmiseks ning seejärel paneme andmed Minitabisse analüüsimiseks.

3.2.2 DOE tulemuste analüüs

Minitab'i DOE analüüs on näidatud joonisel 4 ja sisaldab peamisi mõjutegurite analüüsi ja koostoime analüüsi. Peamise mõjuteguri analüüsi abil määratakse kindlaks, millistel kujundusmuutuja muutustel on sihtmuutujale suurem mõju, näidates seeläbi, millised on olulised muutujad. Seejärel analüüsitakse tegurite vastastikust mõju, et teha kindlaks tegurite tase ja vähendada disainimuutujate seostumise astet. Kui disainitegur on kõrge või madal, võrrelge teiste tegurite muutumise määra. Sõltumatu aksioomi kohaselt ei ole optimaalne disain omavahel ühendatud, seega valige tase, mis on vähem muutuv.

Selles artiklis toodud keevisarve analüüsitulemused on järgmised: olulised konstruktsiooniparameetrid on kaare välimine raadius ja sarve pilu laius. Mõlema parameetri tase on "kõrge", st raadius võtab DOE-s suurema väärtuse ja ka soone laius saab suurema väärtuse. Määrati olulised parameetrid ja nende väärtused ning seejärel kasutati ANSYS-is disaini optimeerimiseks mitmeid muid parameetreid, et sarve sagedust kohandada vastavalt keevitusseadme töösagedusele. Optimeerimisprotsess on järgmine.

3.3 Sihtparameetri optimeerimine (sarve sagedus)

Disaini optimeerimise parameetrite sätted on sarnased DOE-ga. Erinevus seisneb selles, et kahe olulise parameetri väärtused on kindlaks määratud ja ülejäänud kolm parameetrit on seotud materjali omadustega, mida peetakse mürast ja mida ei saa optimeerida. Ülejäänud kolm parameetrit, mida saab reguleerida, on pilu teljesuunaline asend, pikkus ja sarve laius. Optimeerimisel kasutatakse ANSYS-i alamprobleemide lähendamismeetodit, mis on inseneriprobleemides laialt kasutatav meetod ja konkreetne protsess jäetakse välja.

Väärib märkimist, et sageduse kasutamine sihtmuutujana nõuab töötamisel vähe oskusi. Kuna projekteerimisparameetreid on palju ja nende variatsioonivahemik on lai, on sarve vibratsioonirežiimid huvipakkuva sagedusalas palju. Kui modaalanalüüsi tulemust kasutatakse otseselt, on esimest järku aksiaalrežiimi raske leida, sest modaalse järjestuse põimimine võib toimuda parameetrite muutumisel, see tähendab, et muutub algsele režiimile vastav loomulik sagedusjärjestus. Seetõttu võtab käesolev artikkel esmalt kasutusele modaalse analüüsi ja seejärel kasutab sageduskarakteristiku kõvera saamiseks modaalset superpositsioonimeetodit. Leides sageduskarakteristiku kõvera tippväärtuse, võib see tagada vastava modaalse sageduse. See on automaatse optimeerimise protsessis väga oluline, välistades vajaduse modaalsust käsitsi määrata.

Pärast optimeerimise lõppu võib sarve kavandatud töösagedus olla sihtmärgi sagedusele väga lähedal ja viga on väiksem kui optimeerimisel määratud tolerantsiväärtus. Siinkohal määratakse põhimõtteliselt sarve kujundus, millele järgnevad tootmise kavandamise lubatud tolerantsid.

20200117113652_29938

3.4 Sallivuse kujundamine

Üldine konstruktsiooniprojekt valmib pärast kõigi projekteerimisparameetrite kindlaksmääramist, kuid inseneriprobleemide korral, eriti kui arvestada masstoodangu maksumust, on tolerantsi kujundamine hädavajalik. Väheneb ka madala täpsuse maksumus, kuid disainimeetikute täitmise võime nõuab kvantitatiivsete arvutuste jaoks statistilisi arvutusi. ANSYS-i PDS-i tõenäosuse kujundussüsteem suudab paremini analüüsida disainiparameetrite tolerantsi ja sihtparameetrite tolerantsi suhet ning luua täielikud seotud aruandefailid.

3.4.1 PDS-parameetrite sätted ja arvutused

DFSS idee kohaselt tuleks oluliste projekteerimisparameetrite osas läbi viia tolerantsianalüüs ja muid üldisi tolerantse saab määrata empiiriliselt. Selles töös on olukord üsna eriline, kuna vastavalt mehaanilisele võimele on geomeetriliste konstruktsiooniparameetrite tootmistolerants väga väike ja sellel on sarve lõplikule sagedusele vähe mõju; kui tooraine parameetrid on tarnijate tõttu väga erinevad, siis tooraine hind moodustab sarve töötlemiskuludest üle 80%. Seetõttu on vaja määrata materjali omadustele mõistlik tolerantsivahemik. Asjakohased materjali omadused on siin tihedus, elastsusmoodul ja helilaine levimise kiirus.

Tolerantsanalüüsis kasutatakse Ladina Hypercube'i meetodi valimiseks ANSYS-i juhuslikku Monte Carlo simulatsiooni, sest see võib muuta proovivõtupunktide jaotuse ühtlasemaks ja mõistlikumaks ning saavutada parema korrelatsiooni vähemate punktide võrra. Selles artiklis määratakse 30 punkti. Oletame, et kolme materjali parameetri tolerantsid on jaotatud Gaussi järgi, neile antakse esialgu ülemine ja alumine piir ning seejärel arvutatakse need ANSYS-is.

3.4.2 PDS-i tulemuste analüüs

PDS arvutamise kaudu antakse sihtmuutuja väärtused, mis vastavad 30 proovivõtupunktile. Sihtmuutujate jaotus pole teada. Parameetrid sobivad uuesti Minitab tarkvara abil ja sagedus jaotatakse põhimõtteliselt normaaljaotuse järgi. See tagab tolerantsianalüüsi statistilise teooria.

PDS-arvutus annab sobiva valemi disainmuutujast sihtmuutuja tolerantsi laiendamiseni: kus y on sihtmuutuja, x on disainmuutuja, c on korrelatsioonikordaja ja i on muutuja number.

Selle järgi saab tolerantsikujunduse ülesande täitmiseks igale disainimuutujale määrata sihttolerantsi.

3.5 Katseline kontroll

Esiosa on kogu keevitussarve kujundusprotsess. Pärast valmimist ostetakse tooraine vastavalt projektis lubatud materjalide tolerantsidele ja tarnitakse seejärel tootmisettevõttesse. Sageduse ja modaalsuse testimine viiakse läbi pärast tootmise lõpetamist ning kasutatav katsemeetod on kõige lihtsam ja tõhusam snaiprite testimise meetod. Kuna enim muret tekitav indeks on esmakordne aksiaalne modaalne sagedus, on kiirendusandur tööpinna külge kinnitatud ja teine ​​ots lüüakse piki telje suunda ning sarve tegeliku sageduse saab spektraalanalüüsiga. Projekteerimise simulatsiooni tulemus on 14925 Hz, testi tulemus 14954 Hz, sageduse lahutusvõime 16 Hz ja maksimaalne viga alla 1%. On näha, et modaalarvutuses on lõplike elementide simulatsiooni täpsus väga kõrge.

Pärast katsekatse läbimist pannakse sarv ultraheli keevitusseadmesse tootma ja monteerima. Reaktsioonitingimused on head. Töö on olnud stabiilne enam kui pool aastat ning keevitamise kvalifikatsioonimäär on kõrge, mis on ületanud seadmete üldtootja lubatud kolme kuu tööea. See näitab, et disain on edukas ning tootmisprotsessi pole korduvalt muudetud ja kohandatud, säästes aega ja tööjõudu.

4. Järeldus

See artikkel algab ultraheliga plastikeevituse põhimõttest, haarab põhjalikult keevitamise tehnilist fookust ja pakub välja uue sarve kujunduskontseptsiooni. Seejärel kasutage lõpliku elemendi võimsat simulatsioonifunktsiooni, et disaini konkreetselt analüüsida, tutvustada DFSS-i 6-Sigma disaini ideed ning juhtida robustse disaini saavutamiseks olulisi disainiparameetreid ANSYS DOE eksperimentaalse disaini ja PDS-i tolerantsianalüüsi kaudu. Lõpuks toodeti sarv edukalt üks kord ning eksperimentaalse sageduskatse ja toodangu tegeliku kontrollimisega oli disain mõistlik. Samuti tõestab see, et see disainimeetodite kogum on teostatav ja tõhus.


Postituse aeg: Nov-04-2020