jaunumi

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Priekšvārds

Attīstoties ultraskaņas tehnoloģijai, tā pielietošana ir arvien plašāka, to var izmantot, lai notīrītu sīkas netīrumu daļiņas, un to var izmantot arī metāla vai plastmasas metināšanai. Īpaši mūsdienu plastmasas izstrādājumos galvenokārt tiek izmantota ultraskaņas metināšana, jo skrūves struktūra ir izlaista, izskats var būt pilnīgāks, kā arī tiek nodrošināta hidroizolācijas un putekļu izolācijas funkcija. Plastmasas metināšanas raga dizains būtiski ietekmē galīgo metināšanas kvalitāti un ražošanas jaudu. Jaunu elektrisko skaitītāju ražošanā tiek izmantoti ultraskaņas viļņi, lai sapludinātu augšējo un apakšējo seju. Tomēr lietošanas laikā tiek konstatēts, ka daži ragi ir uzstādīti mašīnā un saplaisājuši, un citas kļūmes rodas īsā laika posmā. Daži metināšanas ragi Defektu līmenis ir augsts. Dažādas kļūdas ir būtiski ietekmējušas ražošanu. Saskaņā ar vienošanos, aprīkojuma piegādātājiem ir ierobežotas raga projektēšanas iespējas, un bieži vien veicot atkārtotus remontus, lai sasniegtu dizaina rādītājus. Tāpēc, lai izstrādātu izturīgu ragu un saprātīgu projektēšanas metodi, ir jāizmanto mūsu pašu tehnoloģiskās priekšrocības.

2 Ultraskaņas plastmasas metināšanas princips

Ultraskaņas plastmasas metināšana ir apstrādes metode, kas izmanto termoplastu kombināciju augstfrekvences piespiedu vibrācijā, un metināšanas virsmas berzējas viena pret otru, lai radītu vietēju kušanu augstā temperatūrā. Lai sasniegtu labus ultraskaņas metināšanas rezultātus, ir nepieciešamas iekārtas, materiāli un procesa parametri. Tālāk ir sniegts īss ievads par tā principu.

2.1 Ultraskaņas plastmasas metināšanas sistēma

1. attēls ir metināšanas sistēmas shematisks skats. Elektriskā enerģija tiek virzīta caur signāla ģeneratoru un jaudas pastiprinātāju, lai radītu mainīgu elektrisko signālu ar ultraskaņas frekvenci (> 20 kHz), kas tiek piemērots pārveidotājam (pjezoelektriskā keramika). Caur devēju elektriskā enerģija kļūst par mehāniskās vibrācijas enerģiju, un mehāniskās vibrācijas amplitūdu ar ragu pielāgo atbilstošajai darba amplitūdai, un pēc tam caur ragu vienmērīgi pārnes uz materiālu, kas ar to saskaras. Divu metināšanas materiālu saskares virsmas tiek pakļautas augstfrekvences piespiedu vibrācijai, un berzes siltums rada vietēju kušanu augstā temperatūrā. Pēc atdzesēšanas materiāli tiek apvienoti, lai panāktu metināšanu.

Metināšanas sistēmā signāla avots ir ķēdes daļa, kas satur jaudas pastiprinātāja ķēdi, kuras frekvences stabilitāte un piedziņas spēja ietekmē mašīnas darbību. Materiāls ir termoplastisks, un šuves virsmas dizainā jāapsver, kā ātri radīt siltumu un piestātni. Devējus, ragus un ragus var uzskatīt par mehāniskām struktūrām, lai viegli analizētu to vibrāciju savienojumu. Plastmasas metināšanā mehāniskā vibrācija tiek pārraidīta garenisko viļņu formā. Kā efektīvi pārnest enerģiju un pielāgot amplitūdu, ir galvenais dizaina punkts.

2.2. Rags

Rags kalpo kā kontakta saskarne starp ultraskaņas metināšanas iekārtu un materiālu. Tās galvenā funkcija ir vienmērīgi un efektīvi novadīt variatora izvadīto garenisko mehānisko vibrāciju uz materiālu. Izmantotais materiāls parasti ir augstas kvalitātes alumīnija sakausējums vai pat titāna sakausējums. Tā kā plastmasas materiālu dizains ļoti mainās, izskats ir ļoti atšķirīgs, un ragam ir attiecīgi jāmainās. Darba virsmas formai jābūt labi saskaņotai ar materiālu, lai vibrējot nesabojātu plastmasu; tajā pašā laikā pirmās kārtas gareniskās vibrācijas cietā frekvence būtu jāsaskaņo ar metināšanas iekārtas izejas frekvenci, pretējā gadījumā vibrācijas enerģija tiks patērēta iekšēji. Kad rags vibrē, rodas vietēja stresa koncentrācija. Kā optimizēt šīs vietējās struktūras ir arī dizaina apsvērums. Šajā rakstā ir izpētīts, kā izmantot ANSYS dizaina ragu, lai optimizētu projektēšanas parametrus un ražošanas pielaides.

3 metināšanas raga dizains

Kā minēts iepriekš, metināšanas raga dizains ir diezgan svarīgs. Ķīnā ir daudz ultraskaņas iekārtu piegādātāju, kas ražo savus metināšanas ragus, taču ievērojama daļa no tiem ir imitācijas, un pēc tam tie tiek pastāvīgi apgriezti un testēti. Izmantojot šo atkārtoto regulēšanas metodi, tiek panākta raga un iekārtas frekvences koordinācija. Šajā rakstā galīgo elementu metodi var izmantot, lai noteiktu frekvenci, projektējot ragu. Raga testa rezultāts un projektētās frekvences kļūda ir tikai 1%. Tajā pašā laikā šajā rakstā tiek ieviests DFSS (Design For Six Sigma) jēdziens, lai optimizētu un izturīgu raga dizainu. 6-Sigma dizaina koncepcija ir pilnībā savākt klienta balsi projektēšanas procesā mērķtiecīgai projektēšanai; kā arī iepriekš jāapsver iespējamās novirzes ražošanas procesā, lai nodrošinātu galaprodukta kvalitātes sadalījumu saprātīgā līmenī. Projektēšanas process parādīts 2. attēlā. Sākot no dizaina rādītāju izstrādes, sākotnēji raga struktūra un izmēri tiek veidoti atbilstoši esošajai pieredzei. Parametriskais modelis ir izveidots ANSYS, un pēc tam modeli nosaka ar simulācijas eksperimenta dizaina (DOE) metodi. Svarīgi parametri atbilstoši stingrajām prasībām nosaka vērtību un pēc tam izmanto apakšproblēmas metodi, lai optimizētu citus parametrus. Ņemot vērā materiālu un vides parametru ietekmi raga ražošanā un lietošanā, tas ir veidots arī ar pielaidēm, lai tas atbilstu ražošanas izmaksu prasībām. Visbeidzot, ražošanas, testēšanas un testēšanas teorijas dizains un faktiskā kļūda, lai sasniegtu piegādātos dizaina rādītājus. Šis soli pa solim detalizēts ievads.

20200117113651_36685

3.1. Ģeometriskās formas dizains (parametriskā modeļa izveidošana)

Metināšanas raga projektēšana vispirms nosaka tā aptuveno ģeometrisko formu un struktūru un izveido parametru modeli turpmākajai analīzei. 3. a) attēls ir visizplatītākā metināšanas raga konstrukcija, kurā uz aptuveni kubveida materiāla vibrācijas virzienā tiek atvērtas vairākas U veida rievas. Kopējie izmēri ir X, Y un Z virzienu garumi, un sānu izmēri X un Y parasti ir salīdzināmi ar metināmā sagataves izmēru. Z garums ir vienāds ar ultraskaņas viļņa pusi viļņa garumu, jo klasiskajā vibrāciju teorijā iegarena objekta pirmās kārtas aksiālo frekvenci nosaka tā garums, un pusviļņa garums ir precīzi saskaņots ar akustisko viļņu frekvence. Šis dizains ir pagarināts. Lietošana ir labvēlīga skaņas viļņu izplatībai. U veida rievas mērķis ir samazināt raga sānu vibrācijas zudumu. Pozīciju, izmēru un skaitu nosaka atbilstoši raga kopējam izmēram. Var redzēt, ka šajā dizainā ir mazāk parametru, kurus var brīvi regulēt, tāpēc mēs uz šī pamata esam veikuši uzlabojumus. 3. b) attēls ir jaunizveidots rags, kuram ir vēl viens izmēra parametrs nekā tradicionālajam dizainam: ārējais loka rādiuss R. Turklāt rieva ir iegravēta raga darba virsmā, lai sadarbotos ar plastmasas sagataves virsmu, kas ir izdevīgi, lai pārraidītu vibrācijas enerģiju un pasargātu sagatavi no bojājumiem. Šis modelis tiek regulāri parametriski modelēts ANSYS un pēc tam nākamais eksperimentālais dizains.

3.2. DOE eksperimentālā plānošana (svarīgu parametru noteikšana)

DFSS ir izveidots praktisku inženiertehnisko problēmu risināšanai. Tas netiecas pēc pilnības, bet ir efektīvs un izturīgs. Tas iemieso 6-Sigma ideju, uztver galveno pretrunu un atsakās no “99,97%”, vienlaikus pieprasot, lai dizains būtu diezgan izturīgs pret vides mainīgumu. Tāpēc pirms mērķa parametru optimizācijas veikšanas tas vispirms jāpārbauda un jāizvēlas lielums, kas būtiski ietekmē struktūru, un to vērtības jānosaka saskaņā ar izturības principu.

3.2.1 DOE parametru iestatīšana un DOE

Projektēšanas parametri ir raga forma un U veida rievas izmēra stāvoklis utt., Kopā astoņi. Mērķa parametrs ir pirmās kārtas aksiālās vibrācijas frekvence, jo tam ir vislielākā ietekme uz metinājumu, un maksimālais koncentrētais spriegums un darba virsmas amplitūdas atšķirība ir ierobežota kā stāvokļa mainīgie. Balstoties uz pieredzi, tiek pieņemts, ka parametru ietekme uz rezultātiem ir lineāra, tāpēc katrs faktors ir iestatīts tikai uz diviem līmeņiem - augstu un zemu. Parametru un atbilstošo nosaukumu saraksts ir šāds.

DOE tiek veikta ANSYS, izmantojot iepriekš izveidoto parametru modeli. Programmatūras ierobežojumu dēļ pilna faktora DOE var izmantot tikai līdz 7 parametriem, savukārt modelim ir 8 parametri, un ANSYS veiktā DOE rezultātu analīze nav tik visaptveroša kā profesionālā 6-sigma programmatūra, un tā nevar tikt galā ar mijiedarbību. Tāpēc mēs izmantojam APDL, lai ierakstītu DOE cilpu, lai aprēķinātu un iegūtu programmas rezultātus, un pēc tam datus ievietojam Minitab analīzei.

3.2.2. DOE rezultātu analīze

Minitab DOE analīze ir parādīta 4. attēlā un ietver galveno ietekmējošo faktoru analīzi un mijiedarbības analīzi. Galvenā ietekmējošā faktora analīze tiek izmantota, lai noteiktu, kurām dizaina mainīgo izmaiņām ir lielāka ietekme uz mērķa mainīgo, tādējādi norādot, kuri ir svarīgi dizaina mainīgie. Pēc tam tiek analizēta faktoru mijiedarbība, lai noteiktu faktoru līmeni un samazinātu saistības pakāpi starp dizaina mainīgajiem. Salīdziniet citu faktoru izmaiņu pakāpi, ja dizaina koeficients ir augsts vai zems. Saskaņā ar neatkarīgo aksiomu optimālais dizains nav savienots viens ar otru, tāpēc izvēlieties mazāk mainīgu līmeni.

Metināšanas raga analīzes rezultāti šajā rakstā ir šādi: svarīgi konstrukcijas parametri ir ārējā loka rādiuss un raga spraugas platums. Abu parametru līmenis ir “augsts”, tas ir, rādiusam ir lielāka vērtība DOE, un rievas platumam ir arī lielāka vērtība. Tika noteikti svarīgi parametri un to vērtības, un pēc tam ANSYS konstrukcijas optimizēšanai tika izmantoti vairāki citi parametri, lai skaņas frekvenci pielāgotu metināšanas iekārtas darbības frekvencei. Optimizācijas process ir šāds.

3.3 Mērķa parametru optimizācija (raga frekvence)

Dizaina optimizācijas parametru iestatījumi ir līdzīgi DOE iestatījumiem. Atšķirība ir tā, ka ir noteiktas divu svarīgu parametru vērtības, un pārējie trīs parametri ir saistīti ar materiāla īpašībām, kuras tiek uzskatītas par troksni un kuras nevar optimizēt. Atlikušie trīs parametri, kurus var pielāgot, ir spraugas aksiālais stāvoklis, garums un raga platums. Optimizācijā ANSYS tiek izmantota apakšproblēmas aproksimācijas metode, kas ir plaši izmantota metode inženiertehniskajās problēmās, un konkrētais process tiek izlaists.

Ir vērts atzīmēt, ka, lai izmantotu frekvenci kā mērķa mainīgo, ir nepieciešamas nedaudz prasmes darbībā. Tā kā ir daudz dizaina parametru un plaša variāciju diapazona, raga vibrācijas režīmi ir daudz interesējošajā frekvenču diapazonā. Ja tieši tiek izmantots modālās analīzes rezultāts, ir grūti atrast pirmās kārtas aksiālo režīmu, jo modālo secību savstarpēja iesaiņošana var notikt, mainoties parametriem, tas ir, mainoties dabiskajam frekvences kārtas numuram, kas atbilst sākotnējam režīmam. Tāpēc šajā rakstā vispirms tiek pieņemta modālā analīze un pēc tam tiek izmantota modālā superpozīcijas metode, lai iegūtu frekvences reakcijas līkni. Atrodot frekvences reakcijas līknes maksimālo vērtību, tas var nodrošināt atbilstošo modālo frekvenci. Tas ir ļoti svarīgi automātiskās optimizācijas procesā, novēršot nepieciešamību manuāli noteikt modalitāti.

Pēc optimizācijas pabeigšanas raga projektētais darba frekvence var būt ļoti tuvu mērķa frekvencei, un kļūda ir mazāka par optimizācijā norādīto pielaides vērtību. Šajā brīdī būtībā tiek noteikts raga dizains, kam seko ražošanas pielaides ražošanas dizainam.

20200117113652_29938

3.4. Pielaides dizains

Vispārējais konstrukcijas dizains tiek pabeigts pēc visu projektēšanas parametru noteikšanas, taču inženiertehniskām problēmām, it īpaši, ja ņem vērā masveida ražošanas izmaksas, tolerances dizains ir būtisks. Samazinās arī zemas precizitātes izmaksas, taču, lai spētu izpildīt projektēšanas metriku, kvantitatīvajiem aprēķiniem nepieciešami statistikas aprēķini. ANSYS PDS varbūtības projektēšanas sistēma var labāk analizēt saistību starp projektēšanas parametru pielaidi un mērķa parametru pielaidi un var ģenerēt pilnīgus saistītos pārskatu failus.

3.4.1 PDS parametru iestatījumi un aprēķini

Saskaņā ar DFSS ideju tolerances analīze jāveic svarīgiem projektēšanas parametriem, un citas vispārējās pielaides var noteikt empīriski. Situācija šajā rakstā ir diezgan īpaša, jo saskaņā ar apstrādes spējām ģeometrisko konstrukcijas parametru ražošanas pielaide ir ļoti maza un maz ietekmē galīgo raga frekvenci; kamēr izejvielu parametri piegādātāju dēļ ir ļoti atšķirīgi, un izejvielu cena veido vairāk nekā 80% no raga apstrādes izmaksām. Tāpēc ir jānosaka saprātīgs materiāla īpašību pielaides diapazons. Šeit būtiskās materiāla īpašības ir blīvums, elastības modulis un skaņas viļņu izplatīšanās ātrums.

Pielaides analīzē tiek izmantota nejauša Montekarlo simulācija ANSYS, lai atlasītu latīņu hiperkubu metodi, jo tā var padarīt izlases punktu sadalījumu vienmērīgāku un saprātīgāku, kā arī iegūt labāku korelāciju ar mazāk punktiem. Šajā rakstā ir noteikti 30 punkti. Pieņemsim, ka triju materiālu parametru pielaides tiek sadalītas pēc Gausa, sākotnēji piešķirot augšējo un apakšējo robežu un pēc tam aprēķinot ANSYS.

3.4.2 PDS rezultātu analīze

Aprēķinot PDS, tiek norādītas mērķa mainīgo vērtības, kas atbilst 30 paraugu ņemšanas punktiem. Mērķa mainīgo sadalījums nav zināms. Parametri atkal tiek uzstādīti, izmantojot Minitab programmatūru, un frekvence būtībā tiek sadalīta atbilstoši normālajam sadalījumam. Tas nodrošina tolerances analīzes statistisko teoriju.

PDS aprēķins dod piemērotu formulu no dizaina mainīgā līdz mērķa mainīgā pielaides paplašināšanai: kur y ir mērķa mainīgais, x ir dizaina mainīgais, c ir korelācijas koeficients un i ir mainīgais skaitlis.

Saskaņā ar to mērķa pielaidi var piešķirt katram konstrukcijas mainīgajam, lai veiktu tolerances projektēšanas uzdevumu.

3.5. Eksperimentālā pārbaude

Priekšējā daļa ir visa metināšanas raga projektēšanas process. Pēc pabeigšanas izejvielas tiek iegādātas atbilstoši materiālu atļautajām pielaidēm, kuras pieļauj dizains, un pēc tam tiek piegādātas ražotnei. Frekvenču un modālo testēšanu veic pēc ražošanas pabeigšanas, un izmantotā testa metode ir vienkāršākā un efektīvākā snaiperu testa metode. Tā kā visvairāk norūpējies indekss ir pirmās kārtas aksiālā modālā frekvence, paātrinājuma sensors ir piestiprināts pie darba virsmas, un otrais gals tiek sasists pa aksiālo virzienu, un faktisko raga frekvenci var iegūt, izmantojot spektrālo analīzi. Projektēšanas simulācijas rezultāts ir 14925 Hz, testa rezultāts ir 14954 Hz, frekvences izšķirtspēja ir 16 Hz, un maksimālā kļūda ir mazāka par 1%. Var redzēt, ka modālo aprēķinu galīgo elementu simulācijas precizitāte ir ļoti augsta.

Pēc eksperimentālā testa nokārtošanas ragu ražo un montē uz ultraskaņas metināšanas iekārtas. Reakcijas stāvoklis ir labs. Darbs ir bijis stabils vairāk nekā pusgadu, un metināšanas kvalifikācijas līmenis ir augsts, kas pārsniedzis vispārējā aprīkojuma ražotāja solīto trīs mēnešu kalpošanas laiku. Tas parāda, ka dizains ir veiksmīgs, un ražošanas process nav atkārtoti modificēts un pielāgots, ietaupot laiku un darbaspēku.

4 Secinājums

Šis raksts sākas ar ultraskaņas plastmasas metināšanas principu, dziļi uztver metināšanas tehnisko uzmanību un piedāvā jaunā raga dizaina koncepciju. Pēc tam izmantojiet ierobežotā elementa jaudīgo simulācijas funkciju, lai konkrēti analizētu dizainu, iepazīstinātu ar DFSS 6-Sigma dizaina ideju un kontrolētu svarīgos dizaina parametrus, izmantojot ANSYS DOE eksperimentālo dizainu un PDS tolerances analīzi, lai panāktu stabilu dizainu. Visbeidzot, rags tika veiksmīgi izgatavots vienu reizi, un dizains bija pamatots ar eksperimentālo frekvences testu un faktisko produkcijas pārbaudi. Tas arī pierāda, ka šis projektēšanas metožu kopums ir iespējams un efektīvs.


Izlikšanas laiks: 04-2020 novembris