Новости

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Предисловие

С развитием ультразвуковой технологии его применение становится все более и более обширным, его можно использовать для очистки мельчайших частиц грязи, а также для сварки металла или пластика. В современных пластиковых изделиях в основном используется ультразвуковая сварка, так как винтовая конструкция не используется, внешний вид может быть более совершенным, а также обеспечивается функция гидроизоляции и защиты от пыли. Конструкция пластикового сварочного рожка оказывает большое влияние на качество окончательной сварки и производительность. При производстве новых электросчетчиков ультразвуковые волны используются для соединения верхней и нижней поверхностей вместе. Однако во время использования обнаруживается, что некоторые рожки устанавливаются на машине и треснуты, а другие сбои происходят в течение короткого периода времени. Некоторые сварочные рожки Высокий уровень дефектов. Различные неисправности оказали значительное влияние на производство. В соответствии с пониманием, поставщики оборудования имеют ограниченные возможности по проектированию звукового сигнала и часто требуют многократного ремонта для достижения проектных показателей. Следовательно, необходимо использовать наши собственные технологические преимущества для разработки прочного рожка и разумного метода проектирования.

2 Принцип ультразвуковой сварки пластмасс

Ультразвуковая сварка пластмасс - это метод обработки, в котором используется сочетание термопластов в высокочастотной вынужденной вибрации, при этом свариваемые поверхности трутся друг о друга для получения местного высокотемпературного плавления. Для достижения хороших результатов ультразвуковой сварки требуется оборудование, материалы и параметры процесса. Ниже приводится краткое введение в его принцип.

2.1 Система ультразвуковой сварки пластмасс

Рисунок 1 - схематический вид сварочной системы. Электрическая энергия проходит через генератор сигналов и усилитель мощности для создания переменного электрического сигнала ультразвуковой частоты (> 20 кГц), который подается на преобразователь (пьезоэлектрическая керамика). Через преобразователь электрическая энергия становится энергией механической вибрации, а амплитуда механической вибрации регулируется рупором до соответствующей рабочей амплитуды, а затем равномерно передается на материал, контактирующий с ним через рупор. Контактные поверхности двух сварочных материалов подвергаются высокочастотной вынужденной вибрации, а теплота трения вызывает локальное высокотемпературное плавление. После охлаждения материалы объединяются для получения сварки.

В сварочной системе источником сигнала является часть схемы, которая содержит схему усилителя мощности, стабильность частоты и мощность которой влияют на производительность машины. Материал является термопластом, и конструкция стыковой поверхности должна учитывать, как быстро выделять тепло и стыковаться. Преобразователи, рожки и рожки можно рассматривать как механические конструкции для облегчения анализа связи их колебаний. При сварке пластмасс механическая вибрация передается в виде продольных волн. Как эффективно передавать энергию и регулировать амплитуду - вот главный вопрос дизайна.

2.2 рог

Рупор служит контактом между аппаратом для ультразвуковой сварки и материалом. Его основная функция - равномерно и эффективно передавать продольную механическую вибрацию, создаваемую вариатором, на материал. В качестве материала обычно используется высококачественный алюминиевый сплав или даже титановый сплав. Из-за того, что дизайн пластиковых материалов сильно меняется, внешний вид сильно отличается, и рог должен соответственно меняться. Форма рабочей поверхности должна хорошо соответствовать материалу, чтобы не повредить пластик при вибрации; в то же время, сплошная частота продольных колебаний первого порядка должна быть согласована с выходной частотой сварочного аппарата, в противном случае энергия вибрации будет потребляться внутри. Когда рог вибрирует, возникает локальная концентрация напряжений. Как оптимизировать эти местные структуры, также является вопросом проектирования. В этой статье рассказывается, как применить конструктор ANSYS для оптимизации параметров конструкции и производственных допусков.

3 сварочного рожка

Как упоминалось ранее, конструкция сварочного рожка очень важна. В Китае есть много поставщиков ультразвукового оборудования, которые производят собственные сварочные рожки, но значительная часть из них является имитацией, и затем они постоянно подвергаются обрезке и тестированию. Посредством этого метода многократной регулировки достигается согласование частоты звукового сигнала и оборудования. В этой статье метод конечных элементов может быть использован для определения частоты при проектировании рупора. Результат теста рупора и расчетная погрешность частоты составляют всего 1%. В то же время в этой статье представлена ​​концепция DFSS (Design For Six Sigma) для оптимизации и надежной конструкции рупора. Концепция дизайна 6-Sigma состоит в том, чтобы полностью собрать голос клиента в процессе проектирования для целевого дизайна; и предварительное рассмотрение возможных отклонений в производственном процессе, чтобы гарантировать, что качество конечного продукта находится на разумном уровне. Процесс проектирования показан на Рисунке 2. Начиная с разработки проектных показателей, структура и размеры рупора первоначально разрабатываются в соответствии с имеющимся опытом. Параметрическая модель создается в ANSYS, а затем модель определяется методом моделирования эксперимента (DOE). Важные параметры в соответствии с устойчивыми требованиями определяют значение, а затем используют метод подзадач для оптимизации других параметров. Принимая во внимание влияние материалов и параметров окружающей среды во время изготовления и использования рупора, он также был разработан с допусками для удовлетворения требований стоимости производства. Наконец, производство, тестирование и теория теории проектирования и фактическая ошибка, чтобы соответствовать поставленным проектным показателям. Следующее пошаговое подробное введение.

20200117113651_36685

3.1 Проектирование геометрической формы (создание параметрической модели)

При проектировании сварочного рожка сначала определяется его приблизительная геометрическая форма и структура, а также устанавливается параметрическая модель для последующего анализа. Рисунок 3 а) представляет собой конструкцию наиболее распространенного сварочного рожка, в котором несколько U-образных канавок открываются в направлении вибрации на материале приблизительно прямоугольной формы. Габаритные размеры - это длины в направлениях X, Y и Z, а поперечные размеры X и Y обычно сопоставимы с размером свариваемой детали. Длина Z равна половине длины ультразвуковой волны, потому что в классической теории колебаний осевая частота первого порядка удлиненного объекта определяется его длиной, а длина полуволны точно совпадает с акустической. частота волны. Этот дизайн был расширен. Использование способствует распространению звуковых волн. П-образный паз предназначен для уменьшения потери боковой вибрации рупора. Положение, размер и количество определяются в соответствии с общим размером рожка. Видно, что в этой конструкции меньше параметров, которые можно свободно регулировать, поэтому мы внесли улучшения на этой основе. На рис. 3b) изображен рупор новой конструкции, который имеет на один параметр размера больше, чем традиционный дизайн: радиус внешней дуги R. Кроме того, на рабочей поверхности рупора выгравирована канавка, которая взаимодействует с поверхностью пластмассовой детали. что полезно для передачи энергии вибрации и защиты заготовки от повреждений. Эта модель обычно параметрически моделируется в ANSYS, а затем выполняется следующий экспериментальный план.

3.2 План эксперимента DOE (определение важных параметров)

DFSS создан для решения практических инженерных задач. Он не стремится к совершенству, но эффективен и надежен. Он воплощает идею 6-сигм, улавливает основное противоречие и отказывается от «99,97%», требуя, чтобы конструкция была достаточно устойчивой к изменчивости окружающей среды. Следовательно, перед тем, как производить оптимизацию целевого параметра, он должен быть сначала проверен, и должен быть выбран размер, который имеет важное влияние на структуру, а их значения должны быть определены в соответствии с принципом устойчивости.

3.2.1 Настройка параметров DOE и DOE

Конструктивными параметрами являются форма рупора и размер U-образной канавки и т. Д., Всего восемь. Целевым параметром является частота осевых колебаний первого порядка, поскольку она оказывает наибольшее влияние на сварной шов, а максимальное сосредоточенное напряжение и разница в амплитуде рабочей поверхности ограничены как переменные состояния. Основываясь на опыте, предполагается, что влияние параметров на результаты является линейным, поэтому для каждого фактора установлено только два уровня: высокий и низкий. Список параметров и соответствующих им имен следующий.

DOE выполняется в ANSYS с использованием ранее установленной параметрической модели. Из-за ограничений программного обеспечения полнофакторный DOE может использовать только до 7 параметров, в то время как модель имеет 8 параметров, а анализ результатов DOE, проводимый ANSYS, не так всеобъемлющ, как профессиональное программное обеспечение 6-сигма, и не может обрабатывать взаимодействие. Поэтому мы используем APDL для написания цикла DOE для вычисления и извлечения результатов программы, а затем помещаем данные в Minitab для анализа.

3.2.2 Анализ результатов DOE

Анализ Министерства энергетики Minitab показан на Рисунке 4 и включает анализ основных факторов влияния и анализ взаимодействия. Анализ основных влияющих факторов используется для определения того, какие изменения проектных переменных оказывают большее влияние на целевую переменную, тем самым указывая, какие из них являются важными проектными переменными. Затем анализируется взаимодействие между факторами, чтобы определить уровень факторов и уменьшить степень связи между проектными переменными. Сравните степень изменения других факторов, когда коэффициент проектирования высокий или низкий. Согласно аксиоме независимости, оптимальные конструкции не связаны друг с другом, поэтому выбирайте менее изменчивый уровень.

Результаты анализа сварочного рожка в этой статье: важные параметры конструкции - это радиус внешней дуги и ширина паза рожка. Уровень обоих параметров «высокий», то есть радиус принимает большее значение в ДОЭ, а ширина канавки также принимает большее значение. Были определены важные параметры и их значения, а затем несколько других параметров были использованы для оптимизации конструкции в ANSYS, чтобы настроить частоту звукового сигнала в соответствии с рабочей частотой сварочного аппарата. Процесс оптимизации выглядит следующим образом.

3.3 Оптимизация целевых параметров (частота звукового сигнала)

Настройки параметров оптимизации проекта аналогичны настройкам DOE. Разница в том, что значения двух важных параметров были определены, а три других параметра связаны со свойствами материала, которые рассматриваются как шум и не могут быть оптимизированы. Остальные три параметра, которые можно настроить, - это осевое положение паза, длина и ширина рупора. Оптимизация использует метод аппроксимации подзадач в ANSYS, который является широко используемым методом в инженерных задачах, и конкретный процесс опускается.

Стоит отметить, что использование частоты в качестве целевой переменной требует определенных навыков работы. Поскольку существует множество конструктивных параметров и широкий диапазон вариаций, режимы колебаний рупора находятся в интересующем диапазоне частот. Если результат модального анализа используется напрямую, трудно найти осевую моду первого порядка, потому что перемежение модальной последовательности может происходить при изменении параметров, то есть при изменении порядкового номера собственной частоты, соответствующего исходному режиму. Поэтому в данной статье сначала применяется модальный анализ, а затем используется метод модального наложения для получения кривой частотной характеристики. Найдя пиковое значение кривой частотной характеристики, он может гарантировать соответствующую модальную частоту. Это очень важно в процессе автоматической оптимизации, избавляя от необходимости вручную определять модальность.

После завершения оптимизации расчетная рабочая частота рупора может быть очень близка к целевой частоте, а ошибка меньше значения допуска, указанного при оптимизации. На этом этапе в основном определяется конструкция рупора, за которой следуют производственные допуски для производственной конструкции.

20200117113652_29938

3.4 Расчет допуска

Общее конструктивное проектирование завершается после определения всех проектных параметров, но для инженерных проблем, особенно с учетом стоимости массового производства, расчет допусков имеет важное значение. Стоимость низкой точности также снижается, но способность соответствовать проектным метрикам требует статистических расчетов для количественных расчетов. Система вероятностного проектирования PDS в ANSYS может лучше анализировать взаимосвязь между допуском проектного параметра и допуском целевого параметра и может создавать полные связанные файлы отчетов.

3.4.1 Настройки и расчеты параметров PDS

Согласно идее DFSS, анализ допусков должен проводиться по важным параметрам конструкции, а другие общие допуски могут быть определены эмпирически. Ситуация в этой статье является совершенно особенной, потому что в зависимости от возможностей обработки допуск на изготовление геометрических параметров конструкции очень мал и мало влияет на конечную частоту рупора; в то время как параметры сырья сильно различаются в зависимости от поставщиков, а стоимость сырья составляет более 80% затрат на переработку рога. Следовательно, необходимо установить разумный диапазон допусков для свойств материала. Здесь важными свойствами материала являются плотность, модуль упругости и скорость распространения звуковой волны.

Анализ допусков использует случайное моделирование Монте-Карло в ANSYS для выборки метода латинского гиперкуба, поскольку он может сделать распределение точек выборки более равномерным и разумным и получить лучшую корреляцию по меньшему количеству точек. В этом документе ставится 30 баллов. Предположим, что допуски по трем параметрам материала распределены по Гауссу, изначально заданы верхний и нижний пределы, а затем рассчитаны в ANSYS.

3.4.2 Анализ результатов ПДС

Посредством расчета PDS задаются целевые значения переменных, соответствующие 30 точкам выборки. Распределение целевых переменных неизвестно. Параметры снова подбираются с помощью программного обеспечения Minitab, и частота в основном распределяется согласно нормальному распределению. Это обеспечивает статистическую теорию анализа толерантности.

Расчет PDS дает формулу подгонки от проектной переменной к расширению допуска целевой переменной: где y - целевая переменная, x - проектная переменная, c - коэффициент корреляции, а i - номер переменной.

В соответствии с этим целевой допуск может быть назначен каждой проектной переменной для выполнения задачи проектирования допусков.

3.5 Экспериментальная проверка

Передняя часть - это процесс проектирования всего сварочного рожка. После завершения сырье закупается в соответствии с допусками материала, предусмотренными конструкцией, и затем доставляется на производство. Частотные и модальные испытания выполняются после завершения производства, и используемый метод испытаний является наиболее простым и эффективным методом снайперских испытаний. Поскольку наиболее важным показателем является модальная осевая частота первого порядка, датчик ускорения прикреплен к рабочей поверхности, а другой конец ударяется в осевом направлении, и фактическая частота рупора может быть получена с помощью спектрального анализа. Результат моделирования конструкции - 14925 Гц, результат теста - 14954 Гц, разрешение по частоте - 16 Гц, максимальная погрешность - менее 1%. Видно, что точность моделирования методом конечных элементов в модальном расчете очень высока.

После прохождения экспериментальных испытаний рупор запущен в производство и сборку на аппарате ультразвуковой сварки. Состояние реакции хорошее. Работа была стабильной более полугода, а квалификация сварщиков высока, что превысило трехмесячный срок службы, обещанный производителем основного оборудования. Это показывает, что конструкция удачна, а производственный процесс не подвергался неоднократным изменениям и корректировкам, что позволяет сэкономить время и рабочую силу.

4. Вывод

Эта статья начинается с принципа ультразвуковой сварки пластмасс, глубоко раскрывает технические аспекты сварки и предлагает концепцию дизайна нового рожка. Затем используйте мощную функцию моделирования конечных элементов для конкретного анализа конструкции и ознакомьтесь с конструктивной идеей 6-сигм DFSS и контролируйте важные параметры конструкции с помощью экспериментального проектирования ANSYS DOE и анализа допусков PDS для достижения надежной конструкции. Наконец, рупор был успешно изготовлен один раз, и его конструкция оказалась разумной после экспериментальных частотных испытаний и фактической проверки производства. Это также доказывает, что этот набор методов проектирования осуществим и эффективен.


Время публикации: ноя-04-2020