žinios

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Įžanga

Tobulėjant ultragarso technologijai, jo taikymas yra vis platesnis, jis gali būti naudojamas mažoms nešvarumų dalelėms valyti, taip pat gali būti naudojamas metalui ar plastikui suvirinti. Ypač šiuolaikiniuose plastikiniuose gaminiuose dažniausiai naudojamas ultragarsinis suvirinimas, nes praleidžiama sraigto struktūra, išvaizda gali būti tobulesnė, taip pat numatyta hidroizoliacijos ir dulkių izoliacijos funkcija. Plastikinio suvirinimo rago konstrukcija turi didelę įtaką galutinei suvirinimo kokybei ir gamybos pajėgumams. Gaminant naujus elektrinius skaitiklius, ultragarso bangos naudojamos sujungiant viršutinį ir apatinį paviršius. Tačiau naudojimo metu nustatyta, kad kai kurie ragai yra sumontuoti mašinoje ir įtrūkę, o kiti gedimai įvyksta per trumpą laiką. Kai kurie suvirinimo ragai Defektų dažnis yra didelis. Įvairūs trūkumai padarė didelę įtaką gamybai. Pagal supratimą, įrangos tiekėjai turi ribotas ragų projektavimo galimybes ir dažnai pakartotinai remontuoja, kad būtų pasiekti projektiniai rodikliai. Todėl, norint sukurti patvarų ragą ir pagrįstą projektavimo metodą, būtina naudoti mūsų pačių technologinius pranašumus.

2 Ultragarsinis plastinio suvirinimo principas

Ultragarsinis plastikinis suvirinimas yra apdorojimo metodas, kai aukšto dažnio priverstinėje vibracijoje naudojamas termoplastikų derinys, o suvirinimo paviršiai trinasi vienas į kitą, kad susidarytų vietinis lydymasis aukštoje temperatūroje. Norint pasiekti gerų ultragarsinio suvirinimo rezultatų, reikalinga įranga, medžiagos ir proceso parametrai. Toliau pateikiamas trumpas jos principo įvadas.

2.1 Ultragarsinė plastiko suvirinimo sistema

1 paveiksle pateiktas suvirinimo sistemos scheminis vaizdas. Elektros energija perduodama per signalo generatorių ir galios stiprintuvą, kad gautų kintamą ultragarso dažnio (> 20 kHz) elektrinį signalą, kuris taikomas ant keitiklio (pjezoelektrinės keramikos). Per keitiklį elektros energija tampa mechaninės vibracijos energija, o mechaninės vibracijos amplitudę ragas sureguliuoja iki atitinkamos darbinės amplitudės, o po to tolygiai perduoda ją per ragą liečiančiai medžiagai. Abiejų suvirinimo medžiagų kontaktiniai paviršiai veikiami aukšto dažnio priverstine vibracija, o trinties šiluma vietiškai ištirpsta aukštoje temperatūroje. Po aušinimo medžiagos sujungiamos, kad būtų pasiektas suvirinimas.

Suvirinimo sistemoje signalo šaltinis yra grandinės dalis, kurioje yra galios stiprintuvo grandinė, kurios dažnio stabilumas ir pavaros galimybė turi įtakos mašinos veikimui. Medžiaga yra termoplastinė, todėl projektuojant jungties paviršių reikia apsvarstyti, kaip greitai sukurti šilumą ir doką. Keitikliai, ragai ir ragai gali būti laikomi mechaninėmis struktūromis, kad būtų galima lengvai analizuoti jų vibracijų sujungimą. Plastikiniame suvirinime mechaninė vibracija perduodama išilginių bangų pavidalu. Kaip efektyviai perduoti energiją ir reguliuoti amplitudę, yra pagrindinis dizaino taškas.

2.2 ragas

Ragas yra kontaktinė sąsaja tarp ultragarso suvirinimo aparato ir medžiagos. Pagrindinė jo funkcija yra tolygiai ir efektyviai perduoti variatoriaus išgaunamą mechaninę vibraciją į medžiagą. Paprastai naudojama medžiaga yra aukštos kokybės aliuminio lydinys arba net titano lydinys. Kadangi plastikinių medžiagų dizainas labai keičiasi, išvaizda labai skiriasi, todėl ragas turi atitinkamai pasikeisti. Darbinio paviršiaus forma turėtų būti gerai suderinta su medžiaga, kad vibruojant nepažeistumėte plastiko; tuo pačiu metu pirmosios eilės išilginio vibracijos kietasis dažnis turėtų būti derinamas su suvirinimo aparato išėjimo dažniu, kitaip vibracijos energija bus sunaudota viduje. Kai ragas virpa, atsiranda vietinė streso koncentracija. Tai, kaip optimizuoti šias vietines struktūras, taip pat yra dizaino aspektas. Šiame straipsnyje nagrinėjama, kaip pritaikyti ANSYS dizaino ragą, kad būtų optimizuoti projektavimo parametrai ir gamybos tolerancijos.

3 suvirinimo rago dizainas

Kaip minėta anksčiau, suvirinimo rago dizainas yra gana svarbus. Kinijoje yra daug ultragarso įrangos tiekėjų, kurie gamina savo suvirinimo ragus, tačiau nemaža jų dalis yra imitacijos, o tada jos nuolat apipjaustomos ir bandomos. Taikant šį pakartotinį reguliavimo metodą, pasiekiamas rago ir įrangos dažnio koordinavimas. Šiame darbe dažnio nustatymui projektuojant ragą galima naudoti baigtinių elementų metodą. Rago bandymo rezultatas ir projektinio dažnio paklaida yra tik 1%. Tuo pačiu metu šiame dokumente pristatoma DFSS („Design For Six Sigma“) koncepcija, siekiant optimizuoti ir tvirtą rago dizainą. „6-Sigma“ dizaino koncepcija yra visiškai surinkti kliento balsą kuriant tikslinį dizainą; iš anksto apsvarstyti galimus gamybos proceso nukrypimus, siekiant užtikrinti, kad galutinio produkto kokybė pasiskirstytų pagrįstame lygyje. Projektavimo procesas parodytas 2 paveiksle. Pradėjus kurti projektinius rodiklius, iš pradžių rago struktūra ir matmenys yra suprojektuoti atsižvelgiant į esamą patirtį. Parametrinis modelis yra nustatytas ANSYS, o tada modelis nustatomas imitavimo eksperimento projektavimo (DOE) metodu. Svarbūs parametrai, atsižvelgiant į griežtus reikalavimus, nustato vertę ir tada naudoja subproblemos metodą kitiems parametrams optimizuoti. Atsižvelgiant į medžiagų įtaką ir aplinkos parametrus gaminant ir naudojant ragą, jis taip pat buvo suprojektuotas taip, kad atitiktų gamybos sąnaudų reikalavimus. Galiausiai, gamybos, bandymų ir bandymų teorijos projektavimas ir faktinė klaida, kad atitiktų pateiktus projekto rodiklius. Šis nuoseklus išsamus įvadas.

20200117113651_36685

3.1. Geometrinės formos dizainas (nustatant parametrinį modelį)

Suprojektuojant suvirinimo ragą, pirmiausia nustatoma jo apytikslė geometrinė forma ir struktūra ir nustatomas parametrinis modelis tolesnei analizei. 3 pav. A) yra dažniausiai pasitaikančio suvirinimo rago konstrukcija, kai viršuje ant maždaug kvadrato formos medžiagos yra atidaryti keli U formos grioveliai. Bendri matmenys yra X, Y ir Z krypčių ilgiai, o šoniniai X ir Y matmenys paprastai yra palyginami su suvirinto ruošinio dydžiu. Z ilgis yra lygus pusei ultragarso bangos ilgio, nes klasikinėje vibracijos teorijoje pailgos objekto pirmos eilės ašinis dažnis nustatomas pagal jo ilgį, o pusės bangos ilgis tiksliai suderinamas su akustiniu bangos dažnis. Šis dizainas buvo pratęstas. Naudojimas yra naudingas skleidžiant garso bangas. U formos griovelio paskirtis yra sumažinti rago šoninės vibracijos praradimą. Padėtis, dydis ir skaičius nustatomi atsižvelgiant į bendrą rago dydį. Galima pastebėti, kad šiame projekte yra mažiau parametrų, kuriuos galima laisvai reguliuoti, todėl šiuo pagrindu atlikome patobulinimus. 3 pav. B) yra naujai suprojektuotas ragas, turintis dar vieną dydžio parametrą nei tradicinis dizainas: išorinis lanko spindulys R. o tai naudinga perduoti vibracijos energiją ir apsaugoti ruošinį nuo pažeidimų. Šis modelis yra įprastai parametriškai modeliuojamas ANSYS, tada kitas eksperimentinis dizainas.

3.2 DOE eksperimentinis planas (svarbių parametrų nustatymas)

DFSS sukurtas praktinėms inžinerijos problemoms spręsti. Jis nesiekia tobulumo, tačiau yra efektyvus ir tvirtas. Tai įkūnija „6-Sigma“ idėją, užfiksuoja pagrindinį prieštaravimą ir atsisako „99,97%“, tuo pačiu reikalaudama, kad dizainas būtų gana atsparus aplinkos kintamumui. Todėl prieš atliekant tikslinių parametrų optimizavimą, pirmiausia reikia jį patikrinti ir pasirinkti dydį, kuris daro didelę įtaką struktūrai, ir jų vertės turėtų būti nustatytos pagal tvirtumo principą.

3.2.1 DOE parametrų nustatymas ir DOE

Projektiniai parametrai yra rago forma, U formos griovelio dydžio padėtis ir kt., Iš viso aštuoni. Tikslinis parametras yra pirmos eilės ašinio virpesių dažnis, nes jis turi didžiausią įtaką suvirinimui, o maksimalus koncentruotas įtempis ir darbinio paviršiaus amplitudės skirtumas yra riboti kaip būsenos kintamieji. Remiantis patirtimi daroma prielaida, kad parametrų poveikis rezultatams yra tiesinis, todėl kiekvienas veiksnys nustatomas tik į du aukštus ir žemus lygius. Parametrų ir atitinkamų pavadinimų sąrašas yra toks.

DOE atliekama ANSYS naudojant anksčiau nustatytą parametrinį modelį. Dėl programinės įrangos apribojimų visaverčiuoju DOE galima naudoti tik iki 7 parametrų, tuo tarpu modelyje yra 8 parametrai, o ANSYS DOE rezultatų analizė nėra tokia išsami kaip profesionali 6 sigmos programinė įranga ir negali valdyti sąveikos. Todėl mes naudojame APDL, norėdami parašyti DOE kilpą, kad apskaičiuotume ir išgautume programos rezultatus, o tada įdėkite duomenis į „Minitab“ analizei.

3.2.2 DOE rezultatų analizė

„Minitab“ DOE analizė parodyta 4 paveiksle ir apima pagrindinius įtakojančių veiksnių ir sąveikos analizę. Pagrindinė įtakojančių veiksnių analizė naudojama siekiant nustatyti, kurie projekto kintamųjų pokyčiai turi didesnę įtaką tiksliniam kintamajam, taip nurodydami, kurie yra svarbūs projektiniai kintamieji. Tada analizuojama veiksnių sąveika, siekiant nustatyti veiksnių lygį ir sumažinti sąsajos laipsnį tarp projektinių kintamųjų. Palyginkite kitų veiksnių kitimo laipsnį, kai projektavimo koeficientas yra didelis ar žemas. Remiantis nepriklausoma aksioma, optimalus dizainas nėra susietas vienas su kitu, todėl pasirinkite mažiau kintamą lygį.

Šiame dokumente pateikti suvirinimo rago analizės rezultatai yra šie: svarbūs projektiniai parametrai yra išorinio lanko spindulys ir rago angos plotis. Abiejų parametrų lygis yra „didelis“, tai yra, spindulys užima didesnę vertę DOE, o griovelio plotis taip pat įgauna didesnę vertę. Buvo nustatyti svarbūs parametrai ir jų vertės, tada buvo naudojami keli kiti parametrai, siekiant optimizuoti ANSYS dizainą, kad būtų galima sureguliuoti rago dažnį, kad jis atitiktų suvirinimo aparato veikimo dažnį. Optimizavimo procesas yra toks.

3.3 Tikslinių parametrų optimizavimas (ragų dažnis)

Dizaino optimizavimo parametrų nustatymai yra panašūs į DOE nustatymus. Skirtumas tas, kad buvo nustatytos dviejų svarbių parametrų vertės, o kiti trys parametrai yra susiję su medžiagos savybėmis, kurios laikomos triukšmu ir kurių negalima optimizuoti. Likę trys parametrai, kuriuos galima reguliuoti, yra ašinė angos padėtis, ilgis ir rago plotis. Optimizavimui naudojamas ANSYS subproblemų aproksimavimo metodas, kuris yra plačiai naudojamas metodas sprendžiant inžinerijos problemas, o konkretus procesas praleidžiamas.

Verta paminėti, kad norint naudoti dažnį kaip tikslinį kintamąjį reikia šiek tiek įgūdžių dirbti. Kadangi yra daug projektinių parametrų ir platus variacijos diapazonas, rago vibracijos režimai yra daugybė dominančių dažnių diapazono. Jei tiesiogiai naudojamas modalinės analizės rezultatas, sunku rasti pirmos eilės ašinį režimą, nes modalinės sekos persipynimas gali įvykti pasikeitus parametrams, tai yra, pasikeitus natūraliam dažnio eilės ženklui, atitinkančiam pradinį režimą. Todėl šiame dokumente pirmiausia atliekama modalinė analizė ir tada naudojamas modalinio superpozicijos metodas dažnio atsako kreivei gauti. Suradęs dažnio atsako kreivės didžiausią vertę, jis gali užtikrinti atitinkamą modalinį dažnį. Tai labai svarbu automatinio optimizavimo procese, todėl nebereikia rankiniu būdu nustatyti modalumo.

Baigus optimizavimą, rago projektinis darbinis dažnis gali būti labai artimas tiksliniam dažniui, o paklaida yra mažesnė už optimizacijoje nurodytą tolerancijos vertę. Šiuo metu iš esmės nustatomas rago dizainas, po kurio seka gamybos tolerancijos gamybos projektui.

20200117113652_29938

3.4 Tolerancijos dizainas

Bendras konstrukcijos projektas yra baigtas nustačius visus projektavimo parametrus, tačiau dėl inžinerinių problemų, ypač atsižvelgiant į masinės gamybos kainą, būtina tolerancijos projektavimas. Taip pat sumažėja mažo tikslumo kaina, tačiau norint patenkinti projektavimo metriką, reikia atlikti statistinius skaičiavimus kiekybiniams skaičiavimams atlikti. PDS tikimybių projektavimo sistema, esanti ANSYS, gali geriau išanalizuoti ryšį tarp projektavimo parametrų tolerancijos ir tikslinių parametrų tolerancijos ir gali sukurti išsamius susijusius ataskaitų failus.

3.4.1 PDS parametrų nustatymai ir skaičiavimai

Pagal DFSS idėją tolerancijos analizė turėtų būti atliekama pagal svarbius projektinius parametrus, o kitas bendras tolerancijas galima nustatyti empiriškai. Šiame darbe padėtis yra gana ypatinga, nes pagal apdirbimo galimybes geometrinių projektinių parametrų gamybos tolerancija yra labai maža ir mažai veikia galutinį ragų dažnį; žaliavų parametrai labai skiriasi dėl tiekėjų, o žaliavų kaina sudaro daugiau kaip 80% ragų perdirbimo išlaidų. Todėl būtina nustatyti pagrįstą medžiagos savybių tolerancijos diapazoną. Čia svarbios medžiagos savybės yra tankis, elastingumo modulis ir garso bangų sklidimo greitis.

Tolerancijos analizė naudoja atsitiktinę Monte Karlo imitaciją ANSYS, kad imtųsi lotyniško „Hypercube“ metodo, nes tai gali padaryti mėginių ėmimo taškų pasiskirstymą tolygesnį ir pagrįstesnį ir gauti geresnę koreliaciją mažiau taškų. Šiame darbe nustatomi 30 taškų. Tarkime, kad trijų medžiagų parametrų tolerancijos paskirstomos pagal Gausą, iš pradžių jai suteikiama viršutinė ir apatinė ribos, o paskui apskaičiuojama pagal ANSYS.

3.4.2 PDS rezultatų analizė

Apskaičiuojant PDS, pateikiamos tikslinės kintamojo vertės, atitinkančios 30 mėginių ėmimo taškų. Tikslinių kintamųjų pasiskirstymas nežinomas. Parametrai vėl pritaikomi naudojant „Minitab“ programinę įrangą, o dažnis iš esmės paskirstomas pagal įprastą skirstinį. Tai užtikrina statistinę tolerancijos analizės teoriją.

Skaičiuojant PDS, pateikiama tinkama formulė nuo projektinio kintamojo iki tikslinio kintamojo tolerancijos išplėtimo: kur y yra tikslinis kintamasis, x yra projektinis kintamasis, c yra koreliacijos koeficientas ir i yra kintamasis skaičius.

Pagal tai tikslinė tolerancija gali būti priskirta kiekvienam projektiniam kintamajam, kad būtų atlikta tolerancijos projektavimo užduotis.

3.5 Eksperimentinis patikrinimas

Priekinė dalis yra viso suvirinimo rago projektavimo procesas. Baigę žaliavos įsigyjamos pagal medžiagų leistinus nuokrypius, kuriuos leidžia dizainas, ir tada pristatomos į gamyklą. Dažnio ir modaliniai bandymai atliekami baigus gamybą, o naudojamas bandymo metodas yra paprasčiausias ir efektyviausias snaiperio bandymo metodas. Kadangi labiausiai susirūpinęs indeksas yra pirmos eilės ašinis modalinis dažnis, pagreičio jutiklis pritvirtintas prie darbinio paviršiaus, o kitas galas smūgiuojamas ašies kryptimi, o tikrąjį rago dažnį galima gauti atliekant spektrinę analizę. Projekto modeliavimo rezultatas yra 14925 Hz, bandymo rezultatas yra 14954 Hz, dažnio skiriamoji geba yra 16 Hz, o didžiausia paklaida yra mažesnė nei 1%. Galima pastebėti, kad baigtinių elementų modeliavimo tikslumas modaliniame skaičiavime yra labai didelis.

Išlaikius eksperimentinį bandymą, ragas gaminamas ir surenkamas ant ultragarso suvirinimo aparato. Reakcijos būklė gera. Darbas buvo stabilus daugiau nei pusmetį, o suvirinimo kvalifikacijos lygis yra didelis, kuris viršijo trijų mėnesių tarnavimo laiką, kurį žadėjo bendras įrangos gamintojas. Tai rodo, kad dizainas yra sėkmingas, o gamybos procesas nebuvo pakartotinai modifikuojamas ir koreguojamas, taupant laiką ir darbo jėgą.

4. Išvada

Šis straipsnis pradedamas ultragarsinio plastinio suvirinimo principu, giliai suvokiamas suvirinimo techninis akcentas ir siūloma naujo rago dizaino koncepcija. Tada naudokite galingą baigtinių elementų modeliavimo funkciją, kad galėtumėte konkrečiai išanalizuoti dizainą, pristatykite 6-Sigma DFSS dizaino idėją ir valdykite svarbius projekto parametrus, naudodami ANSYS DOE eksperimentinį dizainą ir PDS tolerancijos analizę, kad pasiektumėte tvirtą dizainą. Galiausiai ragas buvo sėkmingai pagamintas vieną kartą, o konstrukcija buvo pagrįsta atlikus eksperimentinį dažnio bandymą ir tikrąjį gamybos patikrinimą. Tai taip pat įrodo, kad šis projektavimo metodų rinkinys yra įmanomas ir efektyvus.


Skelbimo laikas: 2020 m. Lapkričio 4 d