Новини

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Предговор

С развитието на ултразвуковата технология приложението му е все по-широко, може да се използва за почистване на малки частици мръсотия и може да се използва и за заваряване на метал или пластмаса. Особено в съвременните пластмасови изделия се използва най-вече ултразвуково заваряване, тъй като винтовата структура е пропусната, външният вид може да бъде по-перфектен, а също така е осигурена функцията на хидроизолация и прахозащита. Дизайнът на пластмасовия заваръчен рог оказва важно влияние върху крайното качество на заваряване и производствения капацитет. При производството на нови електрически измервателни уреди се използват ултразвукови вълни за обединяване на горната и долната повърхности. По време на употреба обаче се установява, че някои клаксони са инсталирани на машината и са напукани, а други откази се случват за кратък период от време. Някакъв заваръчен рог Процентът на дефекти е висок. Различни дефекти са оказали значително влияние върху производството. Според разбирането, доставчиците на оборудване имат ограничени възможности за проектиране на клаксона и често чрез многократни ремонти за постигане на проектни показатели. Следователно е необходимо да използваме нашите собствени технологични предимства, за да разработим траен клаксон и разумен метод на проектиране.

2 Ултразвуков принцип на заваряване от пластмаса

Ултразвуковото заваряване на пластмаса е метод за обработка, който използва комбинацията от термопласти в високочестотната принудителна вибрация, а заваръчните повърхности се търкат една в друга, за да се получи локално топене при висока температура. За да се постигнат добри резултати от ултразвуковото заваряване, се изискват оборудване, материали и технологични параметри. По-долу е кратко въведение в неговия принцип.

2.1 Ултразвукова система за заваряване на пластмаса

Фигура 1 е схематичен изглед на заваръчна система. Електрическата енергия се предава през генератора на сигнала и усилвателя на мощността, за да се получи променлив електрически сигнал с ултразвукова честота (> 20 kHz), който се прилага към преобразувателя (пиезоелектрическа керамика). Чрез преобразувателя електрическата енергия се превръща в енергията на механичните вибрации и амплитудата на механичните вибрации се регулира от клаксона до подходящата работна амплитуда и след това се предава равномерно към материала в контакт с него през клаксона. Контактните повърхности на двата заваръчни материала са подложени на високочестотни принудителни вибрации и топлината на триене генерира локално топене при висока температура. След охлаждане материалите се комбинират, за да се постигне заваряване.

В заваръчна система източникът на сигнал е част от веригата, която съдържа схема на усилвател на мощност, чиято стабилност на честотата и способността за задвижване влияят върху производителността на машината. Материалът е термопластичен и дизайнът на повърхността на фугата трябва да обмисли как бързо да се генерира топлина и да се скачи. Преобразувателите, клаксоните и рогата могат да се считат за механични структури за лесен анализ на свързването на техните вибрации. При пластмасовото заваряване механичните вибрации се предават под формата на надлъжни вълни. Как да прехвърляме ефективно енергия и да регулираме амплитудата е основната точка на дизайна.

2.2рог

Клаксонът служи като контактна връзка между ултразвуковата машина за заваряване и материала. Неговата основна функция е да предава равномерно и ефективно надлъжните механични вибрации, издавани от вариатора, към материала. Използваният материал обикновено е висококачествена алуминиева сплав или дори титанова сплав. Тъй като дизайнът на пластмасовите материали се променя много, външният вид е много различен и клаксонът трябва да се промени съответно. Формата на работната повърхност трябва да бъде добре съчетана с материала, за да не се повреди пластмасата при вибриране; в същото време честотата на твърдото надлъжно вибрационно ниво от първи ред трябва да бъде съгласувана с изходната честота на заваръчната машина, в противен случай енергията на вибрациите ще се консумира вътрешно. Когато рогът вибрира, настъпва локална концентрация на стрес. Как да оптимизираме тези местни структури също е съображение при проектирането. Тази статия разглежда как да приложите ANSYS дизайнерски клаксон за оптимизиране на проектните параметри и производствените толеранси.

3 дизайн на заваръчен рог

Както бе споменато по-рано, дизайнът на заваръчния рог е доста важен. В Китай има много доставчици на ултразвуково оборудване, които произвеждат свои собствени заваръчни клаксони, но значителна част от тях са имитации и след това те постоянно подрязват и тестват. Чрез този метод на многократна настройка се постига координация на клаксона и честотата на оборудването. В тази статия методът с крайни елементи може да се използва за определяне на честотата при проектиране на клаксона. Резултатът от теста на клаксона и грешката в проектната честота са само 1%. В същото време тази статия представя концепцията на DFSS (Design For Six Sigma) за оптимизиране и здрав дизайн на клаксона. Концепцията на 6-Sigma дизайн е да събере изцяло гласа на клиента в процеса на проектиране за целенасочен дизайн; и предварително обмисляне на възможни отклонения в производствения процес, за да се гарантира, че качеството на крайния продукт се разпределя в рамките на разумно ниво. Процесът на проектиране е показан на фигура 2. Като се започне от разработването на проектните показатели, структурата и размерите на клаксона първоначално са проектирани в съответствие със съществуващия опит. Параметричният модел се установява в ANSYS и след това моделът се определя чрез метода на симулационния експеримент (DOE). Важните параметри, в съответствие с надеждните изисквания, определят стойността и след това използват метода на подпроблемата, за да оптимизират други параметри. Вземайки предвид влиянието на материалите и параметрите на околната среда по време на производството и използването на клаксона, той също е проектиран с толеранси, за да отговори на изискванията на производствените разходи. И накрая, производството, теста и теорията на тестовете дизайн и действителната грешка, за да отговарят на проектните показатели, които се доставят. Следващото подробно въведение стъпка по стъпка.

20200117113651_36685

3.1 Геометричен дизайн на формата (създаване на параметричен модел)

Проектирането на заваръчния рог първо определя неговата приблизителна геометрична форма и структура и установява параметричен модел за последващ анализ. Фигура 3 а) е конструкцията на най-често срещания заваръчен рог, при който множество U-образни жлебове се отварят по посока на вибрациите върху материал с приблизително кубовидна форма. Габаритните размери са дължините на X, Y и Z посоките, а страничните размери X и Y обикновено са сравними с размера на заварявания детайл. Дължината на Z е равна на половината дължина на вълната на ултразвуковата вълна, тъй като в класическата теория на вибрациите аксиалната честота от първи ред на удължения обект се определя от дължината му, а дължината на полувълната е точно съчетана с акустичната честота на вълната. Този дизайн е удължен. Използването е от полза за разпространението на звуковите вълни. Целта на U-образния жлеб е да намали загубата на странични вибрации на рога. Позицията, размерът и броят се определят според общия размер на рога. Вижда се, че в този дизайн има по-малко параметри, които могат свободно да се регулират, така че направихме подобрения на тази основа. Фигура 3 б) е новопроектиран рог, който има още един параметър на размера от традиционния дизайн: радиус на външната дъга R. Освен това жлебът е гравиран върху работната повърхност на рога, за да си сътрудничи с повърхността на пластмасовия детайл, което е от полза за предаване на вибрационна енергия и защита на детайла от повреда. Този модел е рутинно параметрично моделиран в ANSYS и след това следващият експериментален дизайн.

3.2 DOE експериментален дизайн (определяне на важни параметри)

DFSS е създаден за решаване на практически инженерни проблеми. Той не се стреми към съвършенство, но е ефективен и здрав. Той олицетворява идеята за 6-Sigma, улавя основното противоречие и изоставя „99,97%”, като същевременно изисква дизайнът да е доста устойчив на променливостта на околната среда. Следователно, преди да се направи оптимизацията на целевия параметър, той трябва първо да се скринира и да се избере размерът, който има важно влияние върху структурата, и техните стойности да се определят съгласно принципа на устойчивост.

3.2.1 Настройка на параметъра DOE и DOE

Конструктивните параметри са формата на рога и положението на размера на U-образния жлеб и др., Общо осем. Целевият параметър е аксиалната честота на вибрациите от първи ред, тъй като има най-голямо влияние върху заваръчния шев, а максималното концентрирано напрежение и разликата в амплитудата на работната повърхност са ограничени като променливи на състоянието. Въз основа на опита се приема, че ефектът от параметрите върху резултатите е линеен, така че всеки фактор е зададен само на две нива, високо и ниско. Списъкът с параметри и съответните имена е както следва.

DOE се извършва в ANSYS, използвайки предварително установения параметричен модел. Поради софтуерни ограничения, DOE с пълен фактор може да използва само до 7 параметъра, докато моделът има 8 параметъра, а анализът на резултатите от DOE на ANSYS не е толкова изчерпателен, колкото професионалния 6-сигма софтуер, и не може да се справи с взаимодействието. Следователно използваме APDL, за да напишем DOE цикъл, за да изчислим и извлечем резултатите от програмата и след това да поставим данните в Minitab за анализ.

3.2.2 Анализ на резултатите от DOE

DOE анализът на Minitab е показан на фигура 4 и включва анализ на основните фактори за влияние и анализ на взаимодействието. Анализът на основния влияещ фактор се използва, за да се определи кои промени на проектните променливи имат по-голямо въздействие върху целевата променлива, като по този начин се посочват кои са важните променливи на проекта. След това се анализира взаимодействието между факторите, за да се определи нивото на факторите и да се намали степента на свързване между проектните променливи. Сравнете степента на промяна на други фактори, когато проектният фактор е висок или нисък. Според независимата аксиома оптималният дизайн не е свързан помежду си, така че изберете нивото, което е по-малко променливо.

Резултатите от анализа на заваръчния рог в тази статия са: важните конструктивни параметри са радиусът на външната дъга и ширината на прореза на рога. Нивото на двата параметъра е „високо“, тоест радиусът приема по-голяма стойност в DOE, а ширината на браздата също приема по-голяма стойност. Бяха определени важните параметри и техните стойности и след това бяха използвани няколко други параметъра за оптимизиране на дизайна в ANSYS за регулиране на честотата на клаксона, за да съответства на работната честота на заваръчната машина. Процесът на оптимизация е както следва.

3.3 Оптимизиране на целевите параметри (честота на клаксона)

Настройките на параметрите при оптимизацията на дизайна са подобни на тези на DOE. Разликата е, че стойностите на два важни параметъра са определени, а останалите три параметъра са свързани със свойствата на материала, които се считат за шум и не могат да бъдат оптимизирани. Останалите три параметъра, които могат да се регулират, са аксиалното положение на процепа, дължината и ширината на рога. Оптимизацията използва метода за сближаване на подпроблемата в ANSYS, който е широко използван метод при инженерни проблеми и специфичният процес е пропуснат.

Струва си да се отбележи, че използването на честота като целева променлива изисква малко умения в работата. Тъй като има много конструктивни параметри и широк диапазон от вариации, режимите на вибрация на клаксона са много в честотния диапазон от интерес. Ако резултатът от модалния анализ се използва директно, е трудно да се намери аксиален режим от първи ред, тъй като преплитането на модалната последователност може да възникне, когато параметрите се променят, тоест естественият ординал на честотата, съответстващ на оригиналния режим, се променя. Следователно тази статия първо приема модалния анализ и след това използва метода на модално суперпозиране, за да получи кривата на честотната характеристика. Като намира пиковата стойност на кривата на честотната характеристика, той може да осигури съответната модална честота. Това е много важно в процеса на автоматична оптимизация, премахвайки необходимостта от ръчно определяне на модалността.

След като оптимизацията приключи, проектната работна честота на клаксона може да бъде много близка до целевата честота и грешката е по-малка от стойността на толеранс, посочена в оптимизацията. На този етап основно се определя конструкцията на клаксона, последвана от производствените допуски за производствения дизайн.

20200117113652_29938

3.4 Дизайн на толерантност

Общият структурен дизайн е завършен, след като са определени всички конструктивни параметри, но за инженерни проблеми, особено когато се вземат предвид разходите за масово производство, дизайнът на толеранса е от съществено значение. Цената на ниската точност също е намалена, но способността да се изпълнят проектните показатели изисква статистически изчисления за количествени изчисления. Системата за проектиране на вероятност PDS в ANSYS може да анализира по-добре връзката между допустимото отклонение на проектния параметър и толерантността на целевия параметър и може да генерира пълни свързани файлове с отчети.

3.4.1 Настройки и изчисления на PDS параметри

Според идеята на DFSS анализът на толерантността трябва да се извърши върху важни проектни параметри, а други общи допустими отклонения могат да се определят емпирично. Ситуацията в тази статия е доста специална, тъй като според способността за механична обработка производственият толеранс на геометричните параметри на проектирането е много малък и има малък ефект върху крайната честота на клаксона; докато параметрите на суровините се различават значително поради доставчиците, а цената на суровините представлява повече от 80% от разходите за преработка на рога. Следователно е необходимо да се определи разумен допустим диапазон на толерантност за свойствата на материала. Съответните свойства на материала тук са плътност, модул на еластичност и скорост на разпространение на звуковата вълна.

Анализът на толерантността използва случайна симулация на Монте Карло в ANSYS за изваждане на метода на Latin Hypercube, тъй като може да направи разпределението на точките за вземане на проби по-равномерно и разумно и да получи по-добра корелация с по-малко точки. Тази статия поставя 30 точки. Да приемем, че допустимите отклонения на трите параметри на материала се разпределят според Гаус, първоначално е дадена горна и долна граница и след това се изчислява в ANSYS.

3.4.2 Анализ на резултатите от PDS

Чрез изчисляването на PDS се дават целевите променливи стойности, съответстващи на 30 точки за вземане на проби. Разпределението на целевите променливи е неизвестно. Параметрите се монтират отново с помощта на софтуера Minitab и честотата се разпределя основно според нормалното разпределение. Това осигурява статистическата теория на анализа на толерантността.

Изчислението на PDS дава формула за монтиране от проектната променлива до разширяването на толеранса на целевата променлива: където y е целевата променлива, x е проектната променлива, c е коефициентът на корелация и i е номерът на променливата.

Съгласно това целевият толеранс може да бъде присвоен на всяка проектна променлива, за да изпълни задачата за проектиране на толерантност.

3.5 Експериментална проверка

Предната част е процесът на проектиране на целия заваръчен клаксон. След завършване суровините се закупуват в съответствие с допустимите от проекта допустими отклонения и след това се доставят на производството. Честотата и модалните тестове се извършват след завършване на производството, а използваният метод за изпитване е най-простият и най-ефективен метод за снайперист. Тъй като най-засегнатият индекс е аксиалната модална честота от първи ред, сензорът за ускорение е прикрепен към работната повърхност, а другият край е ударен по аксиалната посока и действителната честота на клаксона може да бъде получена чрез спектрален анализ. Резултатът от симулацията на проекта е 14925 Hz, резултатът от теста е 14954 Hz, честотната разделителна способност е 16 Hz, а максималната грешка е по-малка от 1%. Вижда се, че точността на симулацията на крайни елементи при модалното изчисление е много висока.

След преминаване на експерименталния тест, клаксонът се пуска в производство и сглобява на ултразвукова машина за заваряване. Реакционното състояние е добро. Работата е стабилна повече от половин година, а степента на квалификация за заваряване е висока, което надвишава тримесечния експлоатационен живот, обещан от производителя на общото оборудване. Това показва, че дизайнът е успешен и производственият процес не е многократно модифициран и коригиран, спестявайки време и работна ръка.

4. Заключение

Тази статия започва с принципа на ултразвуковото заваряване на пластмаса, разбира дълбоко техническия фокус на заваряването и предлага дизайнерската концепция на новия рог. След това използвайте мощната симулационна функция на краен елемент, за да анализирате конкретно дизайна и да въведете 6-Sigma идеята за дизайн на DFSS и да контролирате важните параметри на дизайна чрез експериментален дизайн на ANSYS DOE и анализ на толерантността на PDS, за да постигнете здрав дизайн. И накрая, клаксонът беше произведен успешно веднъж и дизайнът беше разумен от експерименталния тест за честота и действителната проверка на производството. Това също доказва, че този набор от методи за проектиране е осъществим и ефективен.


Време за публикуване: ноември-04-2020