новини

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Передмова

З розвитком ультразвукової технології її застосування стає дедалі ширшим, його можна використовувати для очищення крихітних частинок бруду, а також для зварювання металу або пластику. Особливо в сучасних пластикових виробах здебільшого використовується ультразвукове зварювання, оскільки гвинтова конструкція опущена, зовнішній вигляд може бути більш досконалим, а також передбачена функція гідроізоляції та пилозахисту. Конструкція пластикового зварювального ріжка має важливий вплив на кінцеву якість зварювання та виробничі потужності. При виробництві нових електролічильників ультразвукові хвилі використовуються для злиття верхньої та нижньої граней. Однак під час використання виявляється, що деякі звукові сигнали встановлені на машині і тріскаються, а інші збої трапляються за короткий проміжок часу. Деякі зварювальні ріжки Частота дефектів висока. Різні несправності мали значний вплив на виробництво. Відповідно до розуміння, постачальники обладнання мають обмежені можливості проектування звукового сигналу та часто через багаторазові ремонти для досягнення проектних показників. Тому необхідно використовувати наші власні технологічні переваги, щоб розробити міцний ріг та розумний метод проектування.

2 Ультразвуковий принцип зварювання пластику

Ультразвукове зварювання пластику - це метод обробки, який використовує комбінацію термопластів у високочастотній примусовій вібрації, а зварювальні поверхні труться одна об одну для отримання місцевого високотемпературного плавлення. Для досягнення хороших результатів ультразвукового зварювання потрібно обладнання, матеріали та технологічні параметри. Далі наводиться короткий вступ до його принципу.

2.1 Ультразвукова система зварювання пластику

Малюнок 1 - схематичний вигляд зварювальної системи. Електрична енергія передається через генератор сигналу та підсилювач потужності для отримання змінного електричного сигналу ультразвукової частоти (> 20 кГц), який подається на перетворювач (п'єзоелектрична кераміка). Через перетворювач електрична енергія стає енергією механічної вібрації, а амплітуда механічної вібрації регулюється гудком до відповідної робочої амплітуди, а потім рівномірно передається матеріалу, що контактує з ним через ріг. Поверхні контакту двох зварювальних матеріалів піддаються високочастотній примусовій вібрації, і тепло тертя створює місцеве високотемпературне плавлення. Після охолодження матеріали поєднуються для досягнення зварювання.

У зварювальній системі джерелом сигналу є частина ланцюга, що містить схему підсилювача потужності, стабільність частоти та здатність приводу впливають на продуктивність машини. Матеріал - термопластик, і при конструкції поверхні з’єднання потрібно враховувати, як швидко виробляти тепло і стикувати. Перетворювачі, ріжки та ріжки можна вважати механічними структурами для зручного аналізу зв'язку їх вібрацій. При зварюванні пластика механічна вібрація передається у вигляді поздовжніх хвиль. Як ефективно передавати енергію та регулювати амплітуду - головний момент проектування.

2.2рог

Рупор служить контактним інтерфейсом між ультразвуковим зварювальним апаратом та матеріалом. Його основна функція полягає в рівномірному та ефективному передаванні поздовжньої механічної вібрації, що видається варіатором, на матеріал. Зазвичай використовується матеріал високоякісного алюмінієвого сплаву або навіть титанового сплаву. Оскільки дизайн пластикових матеріалів сильно змінюється, зовнішній вигляд дуже різний, і ріг повинен змінюватися відповідно. Форма робочої поверхні повинна добре відповідати матеріалу, щоб не пошкодити пластик при вібрації; водночас частота твердих частот поздовжньої вібрації першого порядку повинна узгоджуватися з вихідною частотою зварювального апарату, інакше енергія вібрації буде споживатися внутрішньо. Коли ріг вібрує, виникає місцева концентрація стресу. Як оптимізувати ці місцеві структури - це також питання проекту. Ця стаття досліджує, як застосовувати клавішу ANSYS для оптимізації конструктивних параметрів та виробничих допусків.

3 конструкція зварювального ріжка

Як вже зазначалося раніше, конструкція зварювального ріжка досить важлива. У Китаї є багато постачальників ультразвукового обладнання, які виробляють власні зварювальні ріжки, але значна частина з них є імітаціями, а потім вони постійно обробляють та тестують. Завдяки цьому методу багаторазового регулювання досягається координація гудка та частоти обладнання. У цій роботі метод кінцевих елементів можна використовувати для визначення частоти при проектуванні гудка. Результат тесту на звуковий сигнал та проектна похибка частоти складають лише 1%. У той же час ця стаття вводить концепцію DFSS (Design For Six Sigma) для оптимізації та надійної конструкції рогу. Концепція дизайну 6-Sigma полягає в тому, щоб повністю зібрати голос замовника в процесі проектування для цільового дизайну; та попередній розгляд можливих відхилень у виробничому процесі, щоб забезпечити розподіл якості кінцевого продукту на розумному рівні. Процес проектування показаний на малюнку 2. Починаючи з розробки проектних показників, структура та розміри гудка спочатку проектуються відповідно до існуючого досвіду. Параметрична модель встановлюється в ANSYS, а потім модель визначається методом моделювання експериментального експерименту (DOE). Важливі параметри відповідно до надійних вимог визначають значення, а потім використовують метод підзадачі для оптимізації інших параметрів. Беручи до уваги вплив матеріалів та екологічних параметрів під час виготовлення та використання рогу, він також був розроблений з допуском, щоб відповідати вимогам виробничих витрат. Нарешті, виготовлення, випробування та теорія випробувань проектування та фактична похибка, щоб відповідати проектним показникам, що поставляються. Наступний покроковий детальний вступ.

20200117113651_36685

3.1 Геометричний дизайн фігури (встановлення параметричної моделі)

Спроектування зварювального ріжка спочатку визначає його приблизну геометричну форму та структуру та встановлює параметричну модель для подальшого аналізу. 3, а) - конструкція найпоширенішого зварювального ріжка, в якому ряд П-подібних пазів розкриваються у напрямку вібрації на матеріалі приблизно кубоподібного. Габаритні розміри - це довжини напрямків X, Y та Z, а бічні розміри X і Y, як правило, порівнянні з розміром зварюваної заготовки. Довжина Z дорівнює половині довжини хвилі ультразвукової хвилі, оскільки в класичній теорії вібрацій осьова частота першого порядку видовженого об'єкта визначається його довжиною, а довжина напівхвилі точно відповідає акустичній частота хвилі. Ця конструкція була розширена. Використання корисно для поширення звукових хвиль. Призначення U-подібної борозенки - зменшити втрати бічних вібрацій ріжка. Положення, розмір і кількість визначаються відповідно до загального розміру рогу. Видно, що в цій конструкції менше параметрів, які можна вільно регулювати, тому на цій основі ми зробили вдосконалення. 3, б) - нещодавно сконструйований ріг, який має ще один параметр розміру, ніж традиційна конструкція: радіус зовнішньої дуги R. Крім того, паз вигравіруваний на робочій поверхні ріжка для взаємодії з поверхнею пластикової заготовки, що вигідно передає енергію вібрації та захищає заготовку від пошкодження. Ця модель регулярно параметрично моделюється в ANSYS, а потім наступний експериментальний дизайн.

3.2 Експериментальна конструкція DOE (визначення важливих параметрів)

DFSS створений для вирішення практичних інженерних задач. Він не прагне досконалості, але ефективний і надійний. Він втілює ідею 6-Sigma, фіксує основне протиріччя і відмовляється від “99,97%”, вимагаючи при цьому конструкції бути досить стійкою до змін середовища. Тому перед виконанням оптимізації цільового параметра його слід спершу перевірити та вибрати розмір, який має важливий вплив на конструкцію, та визначити їх значення відповідно до принципу стійкості.

3.2.1 Установка параметрів DOE та DOE

Конструктивними параметрами є форма ріжка та розмір положення П-подібної канавки тощо, загалом вісім. Цільовим параметром є осьова частота вібрацій першого порядку, оскільки вона має найбільший вплив на зварювальний шов, а максимальна концентрована напруга та різниця в амплітуді робочої поверхні обмежені як змінні стану. На основі досвіду передбачається, що вплив параметрів на результати є лінійним, тому кожен фактор встановлюється лише на два рівні, високий і низький. Перелік параметрів та відповідних назв наведено нижче.

DOE виконується в ANSYS за допомогою встановленої раніше параметричної моделі. Через обмеження програмного забезпечення повнофакторний DOE може використовувати лише до 7 параметрів, тоді як модель має 8 параметрів, а аналіз результатів DOE у ANSYS не настільки вичерпний, як професійне 6-сигмове програмне забезпечення, і не може впоратися з взаємодією. Тому ми використовуємо APDL для написання циклу DOE для обчислення та вилучення результатів програми, а потім передаємо дані в Minitab для аналізу.

3.2.2 Аналіз результатів DOE

Аналіз DOE Minitab показаний на малюнку 4 та включає аналіз основних факторів впливу та аналіз взаємодії. Аналіз основного фактору впливу використовується для визначення того, які змінні проектної змінної мають більший вплив на цільову змінну, вказуючи тим самим, які є важливими змінними конструкції. Потім взаємодію між факторами аналізують, щоб визначити рівень факторів та зменшити ступінь зв’язку між проектними змінними. Порівняйте ступінь зміни інших факторів, коли коефіцієнт проектування високий або низький. Відповідно до незалежної аксіоми, оптимальна конструкція не пов’язана між собою, тому вибирайте рівень, який менш мінливий.

Результати аналізу зварювального рупора в цій роботі такі: важливими конструктивними параметрами є радіус зовнішньої дуги та ширина прорізу ріжка. Рівень обох параметрів "високий", тобто радіус приймає більше значення в DOE, а ширина канавки також приймає більше значення. Були визначені важливі параметри та їх значення, а потім кілька інших параметрів використовувались для оптимізації конструкції в ANSYS для регулювання частоти гудка відповідно до робочої частоти зварювального апарату. Процес оптимізації полягає в наступному.

3.3 Оптимізація цільових параметрів (частота гудка)

Параметри параметрів оптимізації конструкції подібні до параметрів DOE. Різниця полягає в тому, що були визначені значення двох важливих параметрів, а інші три параметри пов’язані із властивостями матеріалу, які розглядаються як шум і не можуть бути оптимізовані. Решта три параметри, які можна регулювати, - осьове положення прорізу, довжина та ширина ріжка. В оптимізації використовується метод наближення підзадачі в ANSYS, який є широко використовуваним методом в інженерних задачах, і конкретний процес опускається.

Варто зазначити, що використання частоти як цільової змінної вимагає невеликої майстерності в експлуатації. Оскільки існує багато конструктивних параметрів і широкий діапазон варіацій, режимів вібрації гудка багато в цікавому діапазоні частот. Якщо результат модального аналізу використовується безпосередньо, важко знайти осьовий режим першого порядку, оскільки чергування модальної послідовності може відбуватися при зміні параметрів, тобто змінюється ординал власної частоти, що відповідає вихідному режиму. Тому в цій роботі спочатку використовується модальний аналіз, а потім використовується метод модальної суперпозиції для отримання кривої частотної характеристики. Знаходячи пікове значення кривої частотної характеристики, воно може забезпечити відповідну модальну частоту. Це дуже важливо в процесі автоматичної оптимізації, усуваючи необхідність вручну визначати модальність.

Після завершення оптимізації проектна робоча частота гудка може бути дуже близькою до цільової частоти, а похибка менше значення допуску, зазначеного в оптимізації. На цьому етапі в основному визначається конструкція рупору, за якою слідують допуски на виготовлення конструкції виробництва.

20200117113652_29938

3.4 Дизайн толерантності

Загальне конструктивне проектування завершується після того, як були визначені всі конструктивні параметри, але для інженерних проблем, особливо при врахуванні вартості масового виробництва, важливим є проект допуску. Вартість низької точності також знижується, але здатність відповідати проектним метрикам вимагає статистичних розрахунків для кількісних розрахунків. Система проектування ймовірностей PDS в ANSYS може краще проаналізувати взаємозв'язок між допуском параметрів проекту та допуском цільових параметрів, а також може генерувати повні пов'язані файли звітів.

3.4.1 Налаштування та розрахунки параметрів PDS

Згідно з ідеєю DFSS, аналіз допусків слід проводити за важливими конструктивними параметрами, а інші загальні допуски можна визначити емпіричним шляхом. Ситуація в цій роботі досить особлива, оскільки, відповідно до здатності до механічної обробки, виробничий допуск геометричних параметрів конструкції дуже малий і мало впливає на кінцеву частоту ріжків; в той час як параметри сировини сильно різняться через постачальників, а ціна на сировину становить понад 80% витрат на переробку рогу. Тому необхідно встановити розумний діапазон допусків для властивостей матеріалу. Відповідними властивостями матеріалу тут є щільність, модуль пружності та швидкість поширення звукової хвилі.

Аналіз толерантності використовує випадкове моделювання Монте-Карло в ANSYS для вибірки методу Latin Hypercube, оскільки він може зробити розподіл точок відбору проб більш рівномірним та обґрунтованим, а також отримати кращу кореляцію на меншу кількість точок. Цей документ визначає 30 пунктів. Припустимо, що допуски трьох параметрів матеріалу розподіляються згідно з Гаусом, спочатку задається верхня і нижня межа, а потім обчислюється в ANSYS.

3.4.2 Аналіз результатів PDS

Шляхом обчислення PDS даються цільові значення змінних, що відповідають 30 точкам відбору проб. Розподіл цільових змінних невідомий. Параметри знову встановлюються за допомогою програмного забезпечення Minitab, і частота в основному розподіляється відповідно до нормального розподілу. Це забезпечує статистичну теорію аналізу толерантності.

Розрахунок PDS дає відповідну формулу від проектної змінної до розширення допуску цільової змінної: де y - цільова змінна, x - конструктивна змінна, c - коефіцієнт кореляції, i - число змінної.

Відповідно до цього, цільовий допуск можна призначити кожній змінній конструкції для виконання завдання проектування допуску.

3.5 Експериментальна перевірка

Лицьова частина - це процес проектування всього зварювального ріжка. Після завершення сировина закуповується згідно з допустимими відхиленнями від матеріалів, а потім доставляється на виробництво. Частота та модальне тестування проводяться після завершення виготовлення, а використаний метод випробування є найпростішим та найефективнішим методом випробування снайпера. Оскільки найбільш зацікавленим індексом є осьова модальна частота першого порядку, датчик прискорення прикріплений до робочої поверхні, а другий кінець вражений вздовж осьового напрямку, і фактичну частоту гудка можна отримати за допомогою спектрального аналізу. Результат моделювання конструкції становить 14925 Гц, результат тесту - 14954 Гц, роздільна здатність частоти - 16 Гц, а максимальна похибка - менше 1%. Видно, що точність моделювання кінцевих елементів при модальному розрахунку дуже висока.

Після проходження експериментального випробування ріг вводиться у виробництво та збирається на ультразвуковому зварювальному апараті. Стан реакції хороший. Робота стабільна більше півроку, а рівень кваліфікації зварювальних робіт високий, що перевищило тримісячний термін служби, обіцяний виробником загального обладнання. Це свідчить про успішне проектування, а виробничий процес не неодноразово модифікувався та коригувався, заощаджуючи час та робочу силу.

4 Висновок

Цей документ починається з принципу ультразвукового зварювання пластику, глибоко враховує технічну спрямованість зварювання та пропонує концепцію дизайну нового ріжка. Потім використовуйте потужну функцію моделювання скінченних елементів, щоб проаналізувати проект конкретно, і представити 6-Sigma дизайнерську ідею DFSS, а також контролювати важливі конструктивні параметри за допомогою експериментального проектування ANSYS DOE та аналізу допусків PDS для досягнення надійної конструкції. Нарешті, ріг був успішно виготовлений один раз, і конструкція була обґрунтована за допомогою експериментального випробування частоти та фактичної перевірки виробництва. Це також доводить, що цей набір методів проектування є здійсненним та ефективним.


Час публікації: листопад-04-2020