berita

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Kata pengantar

Dengan perkembangan teknologi ultrasonik, aplikasinya semakin luas, ia dapat digunakan untuk membersihkan zarah kotoran kecil, dan juga dapat digunakan untuk pengelasan logam atau plastik. Terutama dalam produk plastik sekarang, pengelasan ultrasonik banyak digunakan, kerana struktur skru dihilangkan, penampilannya lebih sempurna, dan fungsi kalis air dan kalis debu juga disediakan. Reka bentuk tanduk kimpalan plastik mempunyai kesan penting terhadap kualiti dan keupayaan pengeluaran kimpalan akhir. Dalam penghasilan meter elektrik baru, gelombang ultrasonik digunakan untuk menggabungkan permukaan atas dan bawah bersama. Walau bagaimanapun, semasa penggunaan, didapati bahawa beberapa tanduk dipasang di mesin dan retak dan kegagalan lain berlaku dalam jangka waktu yang singkat. Sebilangan tanduk kimpalan Kadar kecacatannya tinggi. Pelbagai kesalahan memberi kesan yang besar terhadap pengeluaran. Menurut pemahaman, pembekal peralatan mempunyai kemampuan reka bentuk terhad untuk tanduk, dan sering melalui pembaikan berulang untuk mencapai petunjuk reka bentuk. Oleh itu, perlu menggunakan kelebihan teknologi kita sendiri untuk mengembangkan tanduk tahan lama dan kaedah reka bentuk yang munasabah.

2 Prinsip kimpalan plastik ultrasonik

Kimpalan plastik ultrasonik adalah kaedah pemprosesan yang menggunakan kombinasi termoplastik dalam getaran paksa frekuensi tinggi, dan permukaan kimpalan saling bergosok untuk menghasilkan lebur suhu tinggi tempatan. Untuk mencapai hasil pengelasan ultrasonik yang baik, peralatan, bahan dan parameter proses diperlukan. Berikut adalah pengenalan ringkas mengenai prinsipnya.

2.1 Sistem kimpalan plastik ultrasonik

Rajah 1 adalah pandangan skematik sistem kimpalan. Tenaga elektrik disalurkan melalui penjana isyarat dan penguat kuasa untuk menghasilkan isyarat elektrik bergantian dengan frekuensi ultrasonik (> 20 kHz) yang digunakan pada transduser (seramik piezoelektrik). Melalui transduser, tenaga elektrik menjadi tenaga getaran mekanikal, dan amplitud getaran mekanik disesuaikan oleh tanduk ke amplitud kerja yang sesuai, dan kemudian diserahkan secara seragam ke bahan yang bersentuhan dengannya melalui tanduk. Permukaan sentuhan kedua bahan kimpalan dikenakan getaran paksa frekuensi tinggi, dan panas geseran menghasilkan pencairan suhu tinggi tempatan. Selepas penyejukan, bahan digabungkan untuk mencapai kimpalan.

Dalam sistem pengelasan, sumber isyarat adalah bahagian litar yang mengandungi litar penguat kuasa yang kestabilan frekuensi dan keupayaan pemacunya mempengaruhi prestasi mesin. Bahannya adalah termoplastik, dan reka bentuk permukaan sendi perlu mempertimbangkan bagaimana menghasilkan haba dan dok dengan cepat. Transduser, tanduk dan tanduk semuanya boleh dianggap struktur mekanikal untuk analisis mudah gandingan getarannya. Dalam pengelasan plastik, getaran mekanikal dihantar dalam bentuk gelombang membujur. Cara memindahkan tenaga dengan berkesan dan menyesuaikan amplitud adalah titik utama reka bentuk.

2.2horn

Tanduk berfungsi sebagai penghubung antara mesin kimpalan ultrasonik dan bahan. Fungsi utamanya adalah untuk menghantar getaran mekanikal membujur yang dihasilkan oleh variator secara merata dan cekap ke bahan. Bahan yang digunakan biasanya aloi aluminium berkualiti tinggi atau aloi titanium. Kerana reka bentuk bahan plastik banyak berubah, penampilannya sangat berbeza, dan tanduk harus berubah dengan sewajarnya. Bentuk permukaan kerja harus dipadankan dengan baik dengan bahan, agar tidak merosakkan plastik ketika bergetar; pada masa yang sama, frekuensi pepejal getaran membujur urutan pertama harus diselaraskan dengan frekuensi output mesin kimpalan, jika tidak, tenaga getaran akan habis digunakan secara dalaman. Apabila tanduk bergetar, kepekatan tekanan tempatan berlaku. Cara mengoptimumkan struktur tempatan ini juga merupakan pertimbangan reka bentuk. Artikel ini meneroka cara menerapkan tanduk reka bentuk ANSYS untuk mengoptimumkan parameter reka bentuk dan toleransi pembuatan.

3 reka bentuk tanduk kimpalan

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, reka bentuk tanduk kimpalan cukup penting. Terdapat banyak pembekal peralatan ultrasonik di China yang menghasilkan tanduk kimpalan mereka sendiri, tetapi sebahagian besar daripadanya adalah tiruan, dan kemudian mereka sentiasa memotong dan menguji. Melalui kaedah penyesuaian berulang ini, koordinasi frekuensi tanduk dan peralatan dicapai. Dalam makalah ini, kaedah elemen hingga dapat digunakan untuk menentukan frekuensi ketika merancang tanduk. Hasil ujian tanduk dan ralat frekuensi reka bentuk hanya 1%. Pada masa yang sama, makalah ini memperkenalkan konsep DFSS (Design For Six Sigma) untuk mengoptimumkan dan reka bentuk tanduk yang mantap. Konsep reka bentuk 6-Sigma adalah untuk mengumpulkan suara pelanggan sepenuhnya dalam proses reka bentuk untuk reka bentuk yang disasarkan; dan pertimbangan awal kemungkinan penyimpangan dalam proses pengeluaran untuk memastikan bahawa kualiti produk akhir diedarkan dalam tahap yang munasabah. Proses reka bentuk ditunjukkan dalam Rajah 2. Bermula dari pengembangan petunjuk reka bentuk, struktur dan dimensi tanduk pada mulanya dirancang mengikut pengalaman yang ada. Model parametrik ditetapkan dalam ANSYS, dan kemudian model ditentukan oleh kaedah reka bentuk eksperimen simulasi (DOE). Parameter penting, sesuai dengan keperluan yang kuat, tentukan nilainya, dan kemudian gunakan kaedah sub-masalah untuk mengoptimumkan parameter lain. Dengan mempertimbangkan pengaruh bahan dan parameter persekitaran semasa pembuatan dan penggunaan tanduk, alat ini juga dirancang dengan toleransi untuk memenuhi keperluan biaya pembuatan. Akhirnya, reka bentuk teori pembuatan dan ujian dan kesilapan sebenar, untuk memenuhi petunjuk reka bentuk yang disampaikan. Pengenalan terperinci langkah demi langkah berikut.

20200117113651_36685

3.1 Reka bentuk bentuk geometri (menetapkan model parametrik)

Merangka tanduk kimpalan terlebih dahulu menentukan bentuk dan struktur geometrinya dan menetapkan model parametrik untuk analisis seterusnya. Gambar 3 a) adalah reka bentuk tanduk kimpalan yang paling biasa, di mana sebilangan alur berbentuk U dibuka ke arah getaran pada bahan kira-kira kuboid. Dimensi keseluruhan adalah panjang arah X, Y, dan Z, dan dimensi sisi X dan Y umumnya setanding dengan ukuran benda kerja yang dikimpal. Panjang Z sama dengan panjang gelombang separuh gelombang ultrasonik, kerana dalam teori getaran klasik, frekuensi paksi orde pertama objek memanjang ditentukan oleh panjangnya, dan panjang gelombang separuh tepat dipadankan dengan akustik kekerapan gelombang. Reka bentuk ini telah diperluaskan. Penggunaan, bermanfaat untuk penyebaran gelombang suara. Tujuan alur berbentuk U adalah untuk mengurangkan kehilangan getaran lateral tanduk. Kedudukan, ukuran dan bilangan ditentukan mengikut ukuran tanduk keseluruhan. Ini dapat dilihat bahawa dalam reka bentuk ini, ada lebih sedikit parameter yang dapat diatur secara bebas, jadi kami telah membuat perbaikan berdasarkan ini. Gambar 3 b) adalah tanduk yang baru dirancang yang mempunyai satu parameter ukuran lebih besar daripada reka bentuk tradisional: jejari busur luar R. Di samping itu, alur terukir di permukaan kerja tanduk untuk bekerjasama dengan permukaan benda kerja plastik, yang bermanfaat untuk menghantar tenaga getaran dan melindungi benda kerja dari kerosakan. Model ini secara rutin dimodelkan secara parametrik di ANSYS, dan kemudian reka bentuk eksperimen seterusnya.

3.2 Reka bentuk eksperimen DOE (penentuan parameter penting)

DFSS dicipta untuk menyelesaikan masalah kejuruteraan praktikal. Ia tidak mencapai kesempurnaan, tetapi berkesan dan mantap. Ini merangkumi gagasan 6-Sigma, menangkap kontradiksi utama, dan meninggalkan "99.97%", sementara memerlukan reka bentuknya cukup tahan terhadap perubahan persekitaran. Oleh itu, sebelum membuat pengoptimuman parameter sasaran, harus disaring terlebih dahulu, dan ukuran yang memiliki pengaruh penting pada struktur harus dipilih, dan nilainya harus ditentukan sesuai dengan prinsip ketahanan.

3.2.1 Tetapan parameter DOE dan DOE

Parameter reka bentuknya adalah bentuk tanduk dan ukuran ukuran alur berbentuk U, dan lain-lain, jumlah lapan. Parameter sasaran adalah frekuensi getaran paksi orde pertama kerana mempunyai pengaruh terbesar pada kimpalan, dan tegasan pekat maksimum dan perbezaan amplitud permukaan kerja dibatasi sebagai pemboleh ubah keadaan. Berdasarkan pengalaman, diasumsikan bahawa pengaruh parameter pada hasilnya adalah linear, sehingga setiap faktor hanya ditetapkan pada dua tahap, tinggi dan rendah. Senarai parameter dan nama yang sesuai adalah seperti berikut.

DOE dilakukan di ANSYS menggunakan model parametrik yang telah ditetapkan sebelumnya. Oleh kerana keterbatasan perisian, DOE faktor penuh hanya dapat menggunakan hingga 7 parameter, sementara modelnya memiliki 8 parameter, dan analisis hasil DOE ANSYS tidak begitu komprehensif dengan perisian 6-sigma profesional, dan tidak dapat menangani interaksi. Oleh itu, kami menggunakan APDL untuk menulis gelung DOE untuk mengira dan mengekstrak hasil program, dan kemudian memasukkan data ke dalam Minitab untuk dianalisis.

3.2.2 Analisis keputusan JAS

Analisis DOE Minitab ditunjukkan dalam Rajah 4 dan merangkumi analisis faktor pengaruh utama dan analisis interaksi. Analisis faktor pengaruh utama digunakan untuk menentukan perubahan pemboleh ubah reka bentuk yang mempunyai pengaruh yang lebih besar terhadap pemboleh ubah sasaran, sehingga menunjukkan yang mana adalah pemboleh ubah reka bentuk yang penting. Interaksi antara faktor kemudian dianalisis untuk menentukan tahap faktor dan untuk mengurangkan tahap gandingan antara pemboleh ubah reka bentuk. Bandingkan tahap perubahan faktor lain apabila faktor reka bentuk tinggi atau rendah. Menurut aksioma bebas, reka bentuk yang optimum tidak digabungkan antara satu sama lain, jadi pilih tahap yang tidak berubah-ubah.

Hasil analisis tanduk kimpalan dalam makalah ini adalah: parameter reka bentuk yang penting adalah radius busur luar dan lebar slot tanduk. Tingkat kedua parameter adalah "tinggi", yaitu, radius mengambil nilai yang lebih besar di DOE, dan lebar alur juga mengambil nilai yang lebih besar. Parameter penting dan nilainya ditentukan, dan kemudian beberapa parameter lain digunakan untuk mengoptimumkan reka bentuk di ANSYS untuk menyesuaikan frekuensi tanduk agar sesuai dengan frekuensi operasi mesin kimpalan. Proses pengoptimuman adalah seperti berikut.

3.3 Pengoptimuman parameter sasaran (frekuensi tanduk)

Tetapan parameter pengoptimuman reka bentuk serupa dengan DOE. Perbezaannya adalah bahawa nilai dua parameter penting telah ditentukan, dan tiga parameter lainnya berkaitan dengan sifat material, yang dianggap sebagai kebisingan dan tidak dapat dioptimalkan. Tiga parameter selebihnya yang dapat disesuaikan adalah kedudukan paksi slot, panjang dan lebar tanduk. Pengoptimuman menggunakan kaedah pendekatan sub-masalah di ANSYS, yang merupakan kaedah yang banyak digunakan dalam masalah kejuruteraan, dan proses tertentu dihilangkan.

Perlu diingat bahawa menggunakan frekuensi sebagai pemboleh ubah sasaran memerlukan sedikit kemahiran dalam operasi. Oleh kerana terdapat banyak parameter reka bentuk dan berbagai variasi, mod getaran tanduk banyak dalam rentang frekuensi yang diminati. Sekiranya hasil analisis modal digunakan secara langsung, sukar untuk mencari mod paksi orde pertama, kerana interleaving urutan modal mungkin berlaku apabila parameter berubah, iaitu ordinal frekuensi semula jadi yang sesuai dengan mod asal berubah. Oleh itu, makalah ini menggunakan analisis modal terlebih dahulu, dan kemudian menggunakan kaedah superposisi modal untuk mendapatkan keluk tindak balas frekuensi. Dengan mencari nilai puncak keluk respons frekuensi, ia dapat memastikan frekuensi mod yang sesuai. Ini sangat penting dalam proses pengoptimuman automatik, menghilangkan keperluan untuk menentukan modalnya secara manual.

Setelah pengoptimuman selesai, frekuensi kerja reka bentuk tanduk dapat mendekati frekuensi sasaran, dan kesalahannya kurang dari nilai toleransi yang ditentukan dalam pengoptimuman tersebut. Pada tahap ini, reka bentuk tanduk pada dasarnya ditentukan, diikuti dengan toleransi pembuatan untuk reka bentuk pengeluaran.

20200117113652_29938

3.4 Reka bentuk toleransi

Reka bentuk struktur umum selesai setelah semua parameter reka bentuk ditentukan, tetapi untuk masalah kejuruteraan, terutama ketika mempertimbangkan kos pengeluaran besar-besaran, reka bentuk toleransi sangat penting. Kos ketepatan rendah juga dikurangkan, tetapi kemampuan untuk memenuhi metrik reka bentuk memerlukan pengiraan statistik untuk pengiraan kuantitatif. Sistem Perangkaan Kebarangkalian PDS di ANSYS dapat menganalisis hubungan antara toleransi parameter reka bentuk dan toleransi parameter sasaran dengan lebih baik, dan dapat menghasilkan fail laporan yang berkaitan lengkap.

3.4.1 Tetapan dan pengiraan parameter PDS

Menurut idea DFSS, analisis toleransi harus dilakukan pada parameter reka bentuk penting, dan toleransi umum lainnya dapat ditentukan secara empirik. Keadaan dalam makalah ini agak istimewa, kerana mengikut kemampuan pemesinan, toleransi pembuatan parameter reka bentuk geometri sangat kecil, dan tidak banyak mempengaruhi frekuensi tanduk akhir; sementara parameter bahan mentah sangat berbeza kerana pembekal, dan harga bahan mentah menyumbang lebih dari 80% kos pemprosesan tanduk. Oleh itu, perlu menetapkan julat toleransi yang wajar untuk sifat bahan. Sifat bahan yang relevan di sini adalah ketumpatan, modulus keanjalan dan kelajuan penyebaran gelombang bunyi.

Analisis toleransi menggunakan simulasi Monte Carlo secara rawak di ANSYS untuk mengambil sampel kaedah Latin Hypercube kerana dapat menjadikan pembahagian titik persampelan lebih seragam dan wajar, dan memperoleh korelasi yang lebih baik dengan titik yang lebih sedikit. Kertas ini menetapkan 30 mata. Andaikan bahawa toleransi ketiga parameter bahan diedarkan mengikut Gauss, pada mulanya diberi had atas dan bawah, dan kemudian dikira dalam ANSYS.

3.4.2 Analisis hasil PDS

Melalui pengiraan PDS, nilai pemboleh ubah sasaran yang sesuai dengan 30 titik persampelan diberikan. Pembahagian pemboleh ubah sasaran tidak diketahui. Parameter dipasang lagi menggunakan perisian Minitab, dan frekuensi pada dasarnya diedarkan mengikut taburan normal. Ini memastikan teori statistik analisis toleransi.

Pengiraan PDS memberikan formula yang sesuai dari pemboleh ubah reka bentuk hingga pengembangan toleransi pemboleh ubah sasaran: di mana y adalah pemboleh ubah sasaran, x adalah pemboleh ubah reka bentuk, c adalah pekali korelasi, dan i adalah nombor pemboleh ubah.

Menurut ini, toleransi sasaran dapat diberikan kepada setiap pemboleh ubah reka bentuk untuk menyelesaikan tugas reka bentuk toleransi.

3.5 Pengesahan eksperimen

Bahagian depan adalah proses reka bentuk keseluruhan tanduk kimpalan. Setelah selesai, bahan mentah dibeli mengikut toleransi bahan yang dibenarkan oleh reka bentuk, dan kemudian dihantar ke pembuatan. Pengujian frekuensi dan modal dilakukan setelah pembuatan selesai, dan kaedah ujian yang digunakan adalah kaedah ujian sniper yang paling mudah dan berkesan. Oleh kerana indeks yang paling diberi perhatian adalah frekuensi mod paksi orde pertama, sensor pecutan dipasang pada permukaan kerja, dan ujung yang lain dipukul sepanjang arah paksi, dan frekuensi tanduk sebenarnya dapat diperoleh dengan analisis spektrum. Hasil simulasi reka bentuk adalah 14925 Hz, hasil ujiannya adalah 14954 Hz, resolusi frekuensi adalah 16 Hz, dan ralat maksimum kurang dari 1%. Ini dapat dilihat bahawa ketepatan simulasi elemen hingga dalam pengiraan modal sangat tinggi.

Setelah lulus ujian eksperimen, tanduk dimasukkan ke dalam pengeluaran dan pemasangan pada mesin kimpalan ultrasonik. Keadaan reaksi baik. Kerja ini stabil selama lebih dari setengah tahun, dan kadar kelayakan pengelasannya tinggi, yang telah melebihi jangka hayat tiga bulan yang dijanjikan oleh pengeluar peralatan umum. Ini menunjukkan bahawa reka bentuknya berjaya, dan proses pembuatannya tidak berulang kali diubah dan disesuaikan, menjimatkan masa dan tenaga kerja.

4. Kesimpulan

Kertas ini dimulakan dengan prinsip pengelasan plastik ultrasonik, memahami fokus teknikal pengelasan, dan mencadangkan konsep reka bentuk tanduk baru. Kemudian gunakan fungsi simulasi elemen terhingga yang kuat untuk menganalisis reka bentuk secara konkrit, dan memperkenalkan idea reka bentuk 6-Sigma DFSS, dan mengawal parameter reka bentuk penting melalui reka bentuk eksperimen ANSYS DOE dan analisis toleransi PDS untuk mencapai reka bentuk yang mantap. Akhirnya, tanduk berjaya dihasilkan sekali, dan reka bentuknya wajar oleh ujian frekuensi eksperimen dan pengesahan pengeluaran sebenar. Ini juga membuktikan bahawa kaedah kaedah reka bentuk ini dapat dilaksanakan dan berkesan.


Masa penghantaran: Nov-04-2020