novice

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Predgovor

Z razvojem ultrazvočne tehnologije je njegova uporaba vedno bolj obsežna, z njo lahko očistimo drobne delce umazanije, uporabimo pa jo lahko tudi za varjenje kovine ali plastike. Še posebej v današnjih izdelkih iz plastike se večinoma uporablja ultrazvočno varjenje, ker je vijačna konstrukcija izpuščena, videz je lahko popolnejši, zagotovljena pa je tudi funkcija hidroizolacije in prašine. Zasnova plastičnega varilnega roga pomembno vpliva na končno kakovost varjenja in proizvodne zmogljivosti. Pri proizvodnji novih električnih števcev se ultrazvočni valovi uporabljajo za spajanje zgornje in spodnje ploskve. Vendar pa med uporabo ugotovimo, da so nekateri stroji nameščeni na stroju in razpokani, v kratkem času pa pride do drugih okvar. Nekaj ​​varilnih trub Stopnja napak je velika. Različne napake so znatno vplivale na proizvodnjo. V skladu z dogovorom imajo dobavitelji opreme omejene zmožnosti oblikovanja trub in pogosto z večkratnimi popravili, da dosežejo kazalnike zasnove. Zato je treba razviti lastne tehnološke prednosti za razvoj trpežne hupe in razumne metode oblikovanja.

2 Načelo ultrazvočnega varjenja iz plastike

Ultrazvočno varjenje plastike je postopek obdelave, ki uporablja kombinacijo termoplastov pri visokofrekvenčnih prisilnih vibracijah, varilne površine pa se med seboj drgnejo, da tvorijo visokotemperaturno taljenje. Za doseganje dobrih rezultatov ultrazvočnega varjenja so potrebni oprema, materiali in procesni parametri. Sledi kratek uvod v njegovo načelo.

2.1 Ultrazvočni varilni sistem iz plastike

Slika 1 je shematski prikaz varilnega sistema. Električna energija se prenaša skozi generator signala in ojačevalnik, da proizvaja izmenični električni signal ultrazvočne frekvence (> 20 kHz), ki se nanaša na pretvornik (piezoelektrična keramika). Skozi pretvornik električna energija postane energija mehanskih vibracij, amplitudo mehanskih vibracij pa rog prilagodi na ustrezno delovno amplitudo in nato enakomerno prenese na material v stiku z njim skozi hupo. Stične površine obeh varilnih materialov so izpostavljene visokofrekvenčnim prisilnim vibracijam, trenja pa povzroča lokalno taljenje pri visokih temperaturah. Po ohlajanju se materiali kombinirajo, da se doseže varjenje.

V varilnem sistemu je vir signala del vezja, ki vsebuje ojačevalno vezje, katerega frekvenčna stabilnost in pogonska sposobnost vplivata na zmogljivost stroja. Material je termoplastika in pri oblikovanju površine sklepa je treba razmisliti, kako hitro ustvariti toploto in pristati. Pretvorniki, rogovi in ​​rogovi se lahko štejejo za mehanske strukture za enostavno analizo sklopitve njihovih vibracij. Pri varjenju s plastiko se mehanske vibracije prenašajo v obliki vzdolžnih valov. Glavna točka oblikovanja je, kako učinkovito prenesti energijo in prilagoditi amplitudo.

2,2 rog

Rog služi kot kontaktni vmesnik med ultrazvočnim varilnim aparatom in materialom. Njegova glavna naloga je enakomerno in učinkovito oddajanje vzdolžnih mehanskih vibracij, ki jih oddaja variator, na material. Uporabljeni material je običajno visokokakovostna aluminijeva zlitina ali celo zlitina titana. Ker se dizajn plastičnih materialov zelo spreminja, je videz zelo drugačen in temu primerno se mora spremeniti tudi hupa. Oblika delovne površine mora biti dobro usklajena z materialom, da ne bi poškodovali plastike pri vibriranju; hkrati je treba vzdolžno frekvenco vibracij prvega reda uskladiti z izhodno frekvenco varilnega stroja, sicer se energija vibracij porabi znotraj. Ko hupa zavibrira, pride do lokalne koncentracije stresa. Pri načrtovanju je tudi vprašanje, kako optimizirati te lokalne strukture. Ta članek raziskuje, kako uporabiti ANSYS konstrukcijsko hupo za optimizacijo konstrukcijskih parametrov in proizvodnih toleranc.

3 zasnova varilnega roga

Kot smo že omenili, je zasnova varilnega roga precej pomembna. Na Kitajskem je veliko dobaviteljev ultrazvočne opreme, ki proizvajajo lastne varilne rogove, vendar je velik del njih imitacija, nato pa nenehno obrezujejo in testirajo. S to ponavljajočo se metodo prilagajanja se doseže usklajevanje frekvence hupe in opreme. V tem prispevku lahko s pomočjo metode končnih elementov določimo frekvenco pri načrtovanju hupe. Rezultat testa hupe in konstrukcijska frekvenčna napaka sta le 1%. Hkrati ta članek predstavlja koncept DFSS (Design For Six Sigma) za optimizacijo in robustno zasnovo hupe. Koncept oblikovanja 6-Sigma je v celoti zbrati glas stranke v postopku oblikovanja za ciljno oblikovanje; in predhodni razmislek o možnih odstopanjih v proizvodnem procesu, da se zagotovi, da se kakovost končnega izdelka razporedi v razumni meri. Postopek načrtovanja je prikazan na sliki 2. Izhajajoč iz razvoja projektnih kazalnikov so struktura in mere roga prvotno zasnovane v skladu z obstoječimi izkušnjami. Parametrični model se vzpostavi v ANSYS, nato pa se model določi z metodo zasnove simulacijskega eksperimenta (DOE). Pomembni parametri v skladu s trdnimi zahtevami določajo vrednost in nato za optimizacijo drugih parametrov uporabljajo metodo podproblema. Ob upoštevanju vpliva materialov in okoljskih parametrov med izdelavo in uporabo hupe je bil zasnovan tudi s tolerancami, da ustreza zahtevam proizvodnih stroškov. Končno, izdelava, preizkus in preizkus teorije načrtovanja in dejanske napake, da izpolnjujejo načrtovane kazalnike, ki so dostavljeni. Naslednji podrobni uvod po korakih.

20200117113651_36685

3.1 Oblika geometrijske oblike (vzpostavitev parametričnega modela)

Oblikovanje varilnega roga najprej določi njegovo približno geometrijsko obliko in strukturo ter vzpostavi parametrični model za nadaljnjo analizo. Slika 3 a) je zasnova najpogostejšega varilnega roga, pri katerem se na tleh s približno kockasto površino v smeri vibracij odprejo številni utori v obliki črke U. Skupne mere so dolžine smeri X, Y in Z, stranske mere X in Y pa so na splošno primerljive z velikostjo obdelovanca, ki ga varimo. Dolžina Z je enaka polovični valovni dolžini ultrazvočnega vala, ker je v klasični teoriji vibracij osna frekvenca podolgovatega predmeta prvega reda določena z njegovo dolžino, polvalna dolžina pa je natančno usklajena z akustično frekvenca valovanja. Ta zasnova je bila razširjena. Uporaba je koristna za širjenje zvočnih valov. Namen utora v obliki črke U je zmanjšati izgubo stranskih vibracij roga. Položaj, velikost in število se določijo glede na celotno velikost roga. Vidimo, da je v tej zasnovi manj parametrov, ki jih je mogoče prosto regulirati, zato smo na tej podlagi izboljšali. Slika 3 b) je novo zasnovana hupa, ki ima še en velikostni parameter več kot tradicionalna izvedba: polmer zunanjega loka R. Poleg tega je utor vgraviran na delovno površino roga, da sodeluje s površino obdelovanca iz plastike, kar je koristno za prenos energije vibriranja in zaščito obdelovanca pred poškodbami. Ta model je rutinsko parametrično modeliran v ANSYS in nato naslednji eksperimentalni načrt.

3.2 DOE eksperimentalna zasnova (določitev pomembnih parametrov)

DFSS je ustvarjen za reševanje praktičnih inženirskih problemov. Ne teži k popolnosti, je pa učinkovit in robusten. Pooseblja idejo 6-Sigme, zajame glavno protislovje in opusti 99,97%, hkrati pa zahteva, da je zasnova precej odporna na spremenljivosti okolja. Zato ga je treba pred optimizacijo ciljnega parametra najprej pregledati in izbrati velikost, ki ima pomemben vpliv na konstrukcijo, ter določiti njihove vrednosti v skladu z načelom robustnosti.

3.2.1 Nastavitev parametrov DOE in DOE

Konstrukcijski parametri so oblika roga in položaj velikosti utora v obliki črke U itd., Skupaj osem. Ciljni parameter je aksialna frekvenca vibracij prvega reda, ker ima največji vpliv na zvar, največja koncentrirana napetost in razlika v amplitudi delovne površine pa sta omejeni kot spremenljivki stanja. Na podlagi izkušenj se domneva, da je učinek parametrov na rezultate linearen, zato je vsak faktor nastavljen le na dve ravni, visoko in nizko. Seznam parametrov in ustreznih imen je naslednji.

DOE se izvaja v ANSYS z uporabo predhodno vzpostavljenega parametričnega modela. Zaradi omejitev programske opreme lahko DOE s polnim faktorjem uporabi le do 7 parametrov, medtem ko ima model 8 parametrov, ANSYS-ova analiza rezultatov DOE pa ni tako obsežna kot profesionalna 6-sigma programska oprema in ne more obvladati interakcije. Zato z APDL napišemo zanko DOE za izračun in ekstrahiranje rezultatov programa, nato pa podatke damo v Minitab za analizo.

3.2.2 Analiza rezultatov DOE

Minitabova analiza DOE je prikazana na sliki 4 in vključuje analizo glavnih vplivnih dejavnikov in analizo interakcij. Analiza glavnega vplivnega faktorja se uporablja za določitev, katere spremembe spremenljivke načrtovanja imajo večji vpliv na ciljno spremenljivko in s tem navedejo, katere so pomembne spremenljivke zasnove. Nato se analizira interakcija med faktorji, da se določi raven faktorjev in zmanjša stopnja povezanosti med konstrukcijskimi spremenljivkami. Primerjajte stopnjo spremembe drugih dejavnikov, kadar je projektni faktor visok ali nizek. Glede na neodvisen aksiom optimalna zasnova ni povezana med seboj, zato izberite raven, ki je manj spremenljiva.

Rezultati analize varilnega roga v tem prispevku so: pomembni konstrukcijski parametri so polmer zunanjega loka in širina reže roga. Raven obeh parametrov je "visoka", to pomeni, da ima polmer v DOE večjo vrednost, širina utora pa tudi večjo vrednost. Določeni so bili pomembni parametri in njihove vrednosti, nato pa je bilo več drugih parametrov uporabljeno za optimizacijo zasnove v ANSYS za prilagoditev frekvence hupe tako, da ustreza delovni frekvenci varilnega stroja. Postopek optimizacije je naslednji.

3.3 Optimizacija ciljnih parametrov (frekvenca hupe)

Nastavitve parametrov za optimizacijo zasnove so podobne nastavitvam DOE. Razlika je v tem, da so bile določene vrednosti dveh pomembnih parametrov, drugi trije parametri pa so povezani z lastnostmi materiala, ki veljajo za hrup in jih ni mogoče optimizirati. Preostali trije parametri, ki jih je mogoče prilagoditi, so osni položaj reže, dolžina in širina roga. Optimizacija uporablja metodo približevanja podproblema v ANSYS, ki je pogosto uporabljena metoda pri inženirskih problemih, poseben postopek pa je izpuščen.

Omeniti velja, da uporaba frekvence kot ciljne spremenljivke zahteva malo spretnosti pri delovanju. Ker obstaja veliko konstrukcijskih parametrov in širok razpon variacij, je načinov vibracij hupe veliko v frekvenčnem območju, ki nas zanima. Če se rezultat modalne analize uporablja neposredno, je težko najti aksialni način prvega reda, ker lahko pride do prepletanja modalnega zaporedja, ko se parametri spremenijo, to je redni red frekvence naravne frekvence, ki ustreza prvotnemu načinu. Zato ta članek najprej sprejme modalno analizo, nato pa uporabi metodo modalne superpozicije za pridobitev krivulje frekvenčnega odziva. Z iskanjem najvišje vrednosti krivulje frekvenčnega odziva lahko zagotovi ustrezno modalno frekvenco. To je zelo pomembno pri postopku samodejne optimizacije, saj ni treba ročno določiti načina.

Po končani optimizaciji je lahko načrtovana delovna frekvenca hupe zelo blizu ciljne frekvence in napaka je manjša od tolerančne vrednosti, določene v optimizaciji. Na tej točki je v osnovi določena zasnova hupe, čemur sledijo proizvodna odstopanja za načrtovanje proizvodnje.

20200117113652_29938

3.4 Oblikovanje tolerance

Splošno konstrukcijsko načrtovanje je končano po določitvi vseh konstrukcijskih parametrov, vendar je za inženirske težave, zlasti če upoštevamo stroške masovne proizvodnje, bistveno načrtovanje tolerance. Znižajo se tudi stroški nizke natančnosti, vendar sposobnost izpolnjevanja meritev načrtovanja zahteva statistične izračune za kvantitativne izračune. Sistem načrtovanja verjetnosti PDS v sistemu ANSYS lahko bolje analizira razmerje med toleranco parametrov načrtovanja in toleranco ciljnega parametra in lahko ustvari celotne povezane datoteke s poročili.

3.4.1 Nastavitve in izračuni PDS parametrov

Po ideji DFSS je treba analizo tolerance opraviti pri pomembnih konstrukcijskih parametrih, druge splošne tolerance pa je mogoče določiti empirično. Razmere v tem članku so povsem posebne, saj je glede na sposobnost obdelave toleranca proizvodnih parametrov geometrijske zasnove zelo majhna in malo vpliva na končno frekvenco hupe; medtem ko se parametri surovin močno razlikujejo zaradi dobaviteljev, cena surovin pa predstavlja več kot 80% stroškov predelave rogov. Zato je treba določiti razumno tolerančno območje za lastnosti materiala. Tu so pomembne lastnosti materiala gostota, modul elastičnosti in hitrost širjenja zvočnega vala.

Analiza tolerance uporablja naključno simulacijo Monte Carlo v ANSYS za vzorčenje metode Latin Hypercube, ker lahko s tem porazdeli vzorčevalna mesta bolj enakomerno in razumno ter z manj točkami doseže boljšo korelacijo. Ta članek določa 30 točk. Predpostavimo, da se tolerance treh parametrov materiala porazdelijo po Gaussu, sprva dobijo zgornjo in spodnjo mejo in nato izračunajo v ANSYS.

3.4.2 Analiza rezultatov PDS

Z izračunom PDS so podane ciljne spremenljivke, ki ustrezajo 30 vzorčnim točkam. Porazdelitev ciljnih spremenljivk ni znana. Parametri se znova namestijo s programsko opremo Minitab, frekvenca pa se v osnovi porazdeli glede na normalno porazdelitev. To zagotavlja statistično teorijo analize tolerance.

Izračun PDS daje vgradno formulo od konstrukcijske spremenljivke do tolerančne razširitve ciljne spremenljivke: kjer je y ciljna spremenljivka, x konstrukcijska spremenljivka, c korelacijski koeficient in i število spremenljivke.

V skladu s tem lahko ciljno toleranco dodelimo vsaki spremenljivki zasnove za dokončanje naloge načrtovanja tolerance.

3.5 Eksperimentalno preverjanje

Sprednji del je postopek oblikovanja celotnega varilnega roga. Po zaključku se surovine odkupijo v skladu z dovoljenimi tolerancami materiala in nato dostavijo v proizvodnjo. Frekvenčno in modalno testiranje se izvede po zaključku izdelave, uporabljena preskusna metoda pa je najpreprostejša in najučinkovitejša metoda ostrostrelskega preizkusa. Ker je najbolj zaskrbljen indeks aksialne modalne frekvence prvega reda, je senzor pospeška pritrjen na delovno površino, drugi konec pa je udarjen vzdolž aksialne smeri in dejansko frekvenco hupe lahko dobimo s spektralno analizo. Rezultat simulacije zasnove je 14925 Hz, rezultat testa je 14954 Hz, frekvenčna ločljivost je 16 Hz in največja napaka je manjša od 1%. Vidimo lahko, da je natančnost simulacije končnih elementov pri modalnem izračunu zelo visoka.

Po opravljenem poskusnem preizkusu se hupa začne proizvajati in sestavljati na ultrazvočnem varilnem stroju. Stanje reakcije je dobro. Delo je stabilno že več kot pol leta, stopnja usposobljenosti za varjenje pa je visoka, kar je preseglo trimesečno življenjsko dobo, ki jo je obljubil proizvajalec splošne opreme. To kaže, da je zasnova uspešna, proizvodni postopek pa ni bil večkrat spremenjen in prilagojen, kar prihrani čas in delovno silo.

4 Zaključek

Ta članek se začne z načelom ultrazvočnega varjenja plastike, globoko zajame tehnični poudarek varjenja in predlaga koncept zasnove novega roga. Nato uporabite močno simulacijsko funkcijo končnih elementov, da konkretno analizirate zasnovo in predstavite 6-Sigma oblikovalsko idejo DFSS ter nadzorujete pomembne konstrukcijske parametre z eksperimentalnim načrtovanjem ANSYS DOE in analizo tolerance PDS, da dosežete robustno zasnovo. Končno je bil hup enkrat uspešno izdelan, zasnova pa je bila primerna s poskusnim testom frekvence in dejanskim preverjanjem proizvodnje. To tudi dokazuje, da je ta nabor oblikovalskih metod izvedljiv in učinkovit.


Čas objave: november-04-2020