навіны

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Прадмова

З развіццём ультрагукавой тэхналогіі яе прымяненне становіцца ўсё больш шырокім, яго можна выкарыстоўваць для ачысткі драбнюткіх часціц бруду, а таксама для зваркі металу або пластыка. Асабліва ў сучасных вырабах з пластыка ў асноўным выкарыстоўваецца ультрагукавая зварка, паколькі шрубавая структура апушчана, знешні выгляд можа быць больш дасканалым, а таксама забяспечана функцыя гідраізаляцыі і пылаізаляцыі. Канструкцыя пластыкавага зварачнага рожка мае важны ўплыў на якасць зваркі і магутнасць вытворчасці. Пры вытворчасці новых электралічыльнікаў ультрагукавыя хвалі выкарыстоўваюцца для зліцця верхняй і ніжняй граняў. Аднак падчас выкарыстання высвятляецца, што некаторыя рогі ўсталёўваюцца на машыне і трэскаюцца, а іншыя збоі адбываюцца за кароткі прамежак часу. Некаторыя зварныя рогі Частка дэфектаў высокая. Розныя няспраўнасці аказалі значны ўплыў на вытворчасць. Згодна з разуменнем, пастаўшчыкі абсталявання маюць абмежаваныя канструктарскія магчымасці для гудка, і часта шляхам паўторнага рамонту для дасягнення праектных паказчыкаў. Такім чынам, неабходна выкарыстоўваць нашы ўласныя тэхналагічныя перавагі, каб распрацаваць трывалы рог і разумны метад дызайну.

2 Прынцып ультрагукавой зваркі пластыка

Ультрагукавая зварка пластыка - гэта метад апрацоўкі, які выкарыстоўвае камбінацыю тэрмапластаў пры высокачашчыннай прымусовай вібрацыі, а зварачныя паверхні труцца адна аб адну, вырабляючы мясцовае высокатэмпературнае плаўленне. Для дасягнення добрых вынікаў ультрагукавой зваркі патрабуецца абсталяванне, матэрыялы і параметры працэсу. Далей прыводзіцца кароткае ўвядзенне ў яго прынцып.

2.1 Ультрагукавая сістэма зваркі пластыка

На малюнку 1 - схема схема зварачнай сістэмы. Электрычная энергія перадаецца праз генератар сігналаў і ўзмацняльнік магутнасці, каб вырабіць зменны электрычны сігнал ультрагукавой частаты (> 20 кГц), які падаецца на пераўтваральнік (п'езаэлектрычная кераміка). Праз пераўтваральнік электрычная энергія становіцца энергіяй механічнай вібрацыі, а амплітуда механічнай вібрацыі рэгулюецца гудком да адпаведнай працоўнай амплітуды, а затым раўнамерна перадаецца матэрыялу, які кантактуе з ім, праз гудок. Кантактныя паверхні двух зварачных матэрыялаў падвяргаюцца высокачашчыннай прымусовай вібрацыі, і цяпло трэння стварае мясцовае высокатэмпературнае плаўленне. Пасля астуджэння матэрыялы аб'ядноўваюць для дасягнення зваркі.

У зварачнай сістэме крыніцай сігналу з'яўляецца частка схемы, якая змяшчае схему ўзмацняльніка магутнасці, стабільнасць частоты і здольнасць прывада ўплываюць на прадукцыйнасць машыны. Матэрыял з'яўляецца тэрмапластыкам, і пры афармленні паверхні стыку неабходна ўлічваць, як хутка выпрацоўваць цяпло і стыкоўку. Датчыкі, рогі і рогі можна лічыць механічнымі структурамі для зручнага аналізу сувязі іх вібрацый. Пры пластычнай зварцы механічная вібрацыя перадаецца ў выглядзе падоўжных хваль. Як эфектыўна перадаваць энергію і рэгуляваць амплітуду - галоўны момант распрацоўкі.

2.2рог

Рог служыць кантактным інтэрфейсам паміж ультрагукавым зварачным апаратам і матэрыялам. Яго асноўная функцыя - раўнамерна і эфектыўна перадаваць падоўжную механічную вібрацыю, якая выдаецца варыятарам, на матэрыял. У якасці матэрыялу звычайна выкарыстоўваецца высакаякасны алюмініевы сплаў ці нават тытанавы сплаў. Паколькі дызайн пластыкавых матэрыялаў моцна мяняецца, знешні выгляд вельмі розны, і рог павінен змяняцца адпаведна. Форма рабочай паверхні павінна добра адпавядаць матэрыялу, каб не пашкодзіць пластык пры вібрацыі; у той жа час цвёрдая частата падоўжнай вібрацыі першага парадку павінна ўзгадняцца з выхаднай частатой зварачнага апарата, інакш энергія вібрацыі будзе спажывацца ўнутры. Калі рог вібруе, узнікае мясцовая канцэнтрацыя стрэсу. Як аптымізаваць гэтыя лакальныя структуры - гэта таксама пытанне праектавання. Гэты артыкул даследуе, як прымяняць дызайнерскую гудку ANSYS для аптымізацыі канструктыўных параметраў і вытворчых дапушчальных адхіленняў.

3 дызайн зварачнага ражка

Як ужо згадвалася раней, канструкцыя зварачнага рожка даволі важная. У Кітаі існуе мноства пастаўшчыкоў ультрагукавога абсталявання, якія вырабляюць уласныя зварачныя рогі, але значная частка з іх - імітацыя, і потым яны пастаянна падрабляюць і выпрабоўваюць. Дзякуючы гэтаму паўторнаму метаду рэгулявання дасягаецца каардынацыя гудка і частоты абсталявання. У дадзенай працы метад канчатковых элементаў можа быць выкарыстаны для вызначэння частаты пры праектаванні гудка. Вынік выпрабавання гудка і канструктыўная памылка частаты складаюць толькі 1%. У той жа час гэты артыкул уводзіць канцэпцыю DFSS (Design For Six Sigma) для аптымізацыі і надзейнай канструкцыі гудка. Канцэпцыя дызайну 6-Sigma заключаецца ў поўным зборы голасу заказчыка ў працэсе распрацоўкі мэтавага дызайну; і папярэдні разгляд магчымых адхіленняў у вытворчым працэсе, каб гарантаваць, што якасць канчатковага прадукту размяркоўваецца на разумным узроўні. Працэс праектавання паказаны на малюнку 2. Пачынаючы з распрацоўкі праектных паказчыкаў, структура і памеры гудка першапачаткова распрацоўваюцца ў адпаведнасці з існуючым вопытам. Параметрычная мадэль усталёўваецца ў ANSYS, а потым мадэль вызначаецца метадам мадэлявання эксперымента (DOE). Важныя параметры, у адпаведнасці з надзейнымі патрабаваннямі, вызначаюць значэнне, а затым выкарыстоўваюць метад падзадачы для аптымізацыі іншых параметраў. Прымаючы пад увагу ўплыў матэрыялаў і экалагічныя параметры падчас вытворчасці і выкарыстання ражка, ён таксама быў распрацаваны з дапушчальнымі адхіленнямі, каб адпавядаць патрабаванням вытворчых выдаткаў. Нарэшце, вытворчасць, тэставанне і тэорыя выпрабаванняў, дызайн і фактычная памылка, адпавядаюць праектным паказчыкам, якія пастаўляюцца. Наступнае падрабязнае ўвядзенне.

20200117113651_36685

3.1 Геаметрычная канструкцыя формы (усталяванне параметрычнай мадэлі)

Праектаванне зварачнага рожка спачатку вызначае яго прыблізную геаметрычную форму і структуру і ўсталёўвае параметрычную мадэль для наступнага аналізу. Малюнак 3, а) - канструкцыя найбольш распаўсюджанага зварачнага рожка, у якім шэраг П-вобразных канавак адкрыты ў напрамку вібрацыі на матэрыяле прыблізна кубападобнага колеру. Габарытныя памеры - гэта даўжыні напрамкаў X, Y і Z, а бакавыя памеры X і Y, як правіла, супастаўныя з памерам зварной нарыхтоўкі. Даўжыня Z роўная палове даўжыні хвалі ультрагукавой хвалі, паколькі ў класічнай тэорыі вібрацый восевая частата першага парадку падоўжанага аб'екта вызначаецца яго даўжынёй, а даўжыня паўхвалі дакладна адпавядае акустычнай частата хваль. Гэты дызайн быў пашыраны. Выкарыстанне карысна для распаўсюджвання гукавых хваль. Прызначэнне П-вобразнай канаўкі - паменшыць страты бакавой вібрацыі ражка. Палажэнне, памер і колькасць вызначаюцца ў залежнасці ад агульнага памеру ражка. Відаць, што ў гэтай канструкцыі менш параметраў, якія можна свабодна рэгуляваць, таму мы зрабілі ўдасканаленні на гэтай аснове. Малюнак 3 б) - гэта нядаўна сканструяваны рог, які мае яшчэ адзін параметр памеру, чым традыцыйная канструкцыя: радыус знешняй дугі R. Акрамя таго, на рабочай паверхні ражка выгравіраваны паз для супрацоўніцтва з паверхняй пластыкавай нарыхтоўкі, што карысна для перадачы энергіі вібрацыі і абароны нарыхтоўкі ад пашкоджанняў. Гэтая мадэль звычайна параметрычна мадэлюецца ў ANSYS, а затым наступны эксперыментальны дызайн.

3.2 Эксперыментальная канструкцыя DOE (вызначэнне важных параметраў)

DFSS створаны для вырашэння практычных інжынерных задач. Ён не імкнецца да дасканаласці, але эфектыўны і надзейны. Ён увасабляе ідэю 6-Sigma, фіксуе асноўнае супярэчнасць і адмаўляецца ад "99,97%", патрабуючы пры гэтым канструкцыі дастаткова ўстойлівай да зменлівасці навакольнага асяроддзя. Таму перад тым, як зрабіць аптымізацыю мэтавага параметру, яго трэба спачатку прагледзець і выбраць памер, які мае важны ўплыў на канструкцыю, і вызначыць іх значэнні ў адпаведнасці з прынцыпам надзейнасці.

3.2.1 Настройка параметра DOE і DOE

Канструктыўнымі параметрамі з'яўляюцца форма ражка і памер палажэння П-вобразнай канаўкі і г.д., усяго восем. Мэтавым параметрам з'яўляецца восевая частата вібрацый першага парадку, паколькі яна аказвае найбольшы ўплыў на зварныя швы, а максімальная канцэнтраваная нагрузка і розніца ў амплітудзе рабочай паверхні абмежаваныя як зменныя стану. Зыходзячы з вопыту, мяркуецца, што ўплыў параметраў на вынікі з'яўляецца лінейным, таму кожны фактар ​​усталёўваецца толькі на два ўзроўні, высокі і нізкі. Спіс параметраў і адпаведных імёнаў выглядае наступным чынам.

DOE выконваецца ў ANSYS з выкарыстаннем раней устаноўленай параметрычнай мадэлі. З-за абмежаванняў праграмнага забеспячэння поўнафактарная DOE можа выкарыстоўваць толькі да 7 параметраў, у той час як мадэль мае 8 параметраў, і аналіз вынікаў DOE у ANSYS не такі ўсёабдымны, як прафесійнае 6-сігмавае праграмнае забеспячэнне, і не можа апрацоўваць узаемадзеянне. Такім чынам, мы выкарыстоўваем APDL для запісу DOE-цыкла для вылічэння і вымання вынікаў праграмы, а затым змяшчаем дадзеныя ў Minitab для аналізу.

3.2.2 Аналіз вынікаў DOE

Аналіз DOE Minitab прыведзены на малюнку 4 і ўключае аналіз асноўных фактараў уплыву і аналіз узаемадзеяння. Аналіз асноўнага ўплываючага фактару выкарыстоўваецца для вызначэння, якія змены канструктыўнай зменнай аказваюць большы ўплыў на мэтавую зменную, паказваючы тым самым, якія важныя канструктыўныя зменныя. Затым аналізуецца ўзаемадзеянне паміж фактарамі, каб вызначыць узровень фактараў і паменшыць ступень сувязі паміж праектнымі зменнымі. Параўнайце ступень змены іншых фактараў, калі каэфіцыент праектавання высокі альбо нізкі. Згодна з незалежнай аксіёмай, аптымальная канструкцыя не звязана паміж сабой, таму выбірайце ўзровень, які менш зменлівы.

У дадзеным артыкуле вынікі аналізу зварачнага гудка: важнымі канструктыўнымі параметрамі з'яўляюцца радыус знешняй дугі і шырыня шчыліны гудка. Узровень абодвух параметраў "высокі", гэта значыць радыус прымае большае значэнне ў DOE, а шырыня канаўкі таксама прымае большае значэнне. Былі вызначаны важныя параметры і іх значэнні, а затым некалькі іншых параметраў выкарыстоўваліся для аптымізацыі канструкцыі ў ANSYS для рэгулявання частоты гудка ў адпаведнасці з працоўнай частатой зварачнага апарата. Працэс аптымізацыі заключаецца ў наступным.

3.3 Аптымізацыя мэтавых параметраў (частата гудка)

Параметры параметраў аптымізацыі канструкцыі аналагічныя параметрам DOE. Розніца ў тым, што былі вызначаны значэнні двух важных параметраў, а астатнія тры параметры звязаны са ўласцівасцямі матэрыялу, якія разглядаюцца як шум і не могуць быць аптымізаваны. Астатнія тры параметры, якія можна адрэгуляваць, - гэта восевае становішча слота, даўжыня і шырыня гудка. Аптымізацыя выкарыстоўвае метад набліжэння падзадачы ў ANSYS, які шырока выкарыстоўваецца ў інжынерных задачах, і канкрэтны працэс апускаецца.

Варта адзначыць, што выкарыстанне частоты ў якасці мэтавай зменнай патрабуе невялікіх навыкаў у эксплуатацыі. Паколькі існуе мноства канструктыўных параметраў і шырокі дыяпазон змен, рэжымаў вібрацыі гудка шмат у цікавым дыяпазоне частот. Калі вынік мадальнага аналізу выкарыстоўваецца непасрэдна, цяжка знайсці восевы рэжым першага парадку, таму што пры змене параметраў можа адбыцца перамежаванне мадальнай паслядоўнасці, гэта значыць, змяняецца парадак уласнай частаты, адпаведны першапачатковаму рэжыму. Такім чынам, гэты артыкул спачатку прымае мадальны аналіз, а затым выкарыстоўвае метад мадальнага накладання для атрымання крывой частотнай характарыстыкі. Знаходзячы пікавае значэнне крывой АЧХ, ён можа забяспечыць адпаведную мадальную частату. Гэта вельмі важна ў працэсе аўтаматычнай аптымізацыі, пазбаўляючы ад неабходнасці самастойна вызначаць мадальнасць.

Пасля завяршэння аптымізацыі разліковая працоўная частата гудка можа быць вельмі блізкай да мэтавай частаты, а хібнасць менш, чым значэнне допуску, указанае ў аптымізацыі. На гэты момант у асноўным вызначаецца канструкцыя гудка, за якой ідуць дапушчальныя вырабы для вытворчага дызайну.

20200117113652_29938

3.4 Дызайн талерантнасці

Агульная канструкцыя канструкцыі завершана пасля таго, як былі вызначаны ўсе канструктыўныя параметры, але для інжынерных праблем, асабліва калі ўлічваць кошт масавай вытворчасці, дызайн дапушчальных паказчыкаў мае важнае значэнне. Кошт нізкай дакладнасці таксама зніжаецца, але здольнасць адпавядаць праектным паказчыкам патрабуе статыстычных разлікаў для колькасных разлікаў. Сістэма праектавання верагоднасці PDS у ANSYS можа лепш прааналізаваць сувязь паміж дапушчальным параметрам канструкцыі і дапушчальным дапушчальным параметрам, а таксама можа генераваць поўныя адпаведныя файлы справаздач.

3.4.1 Налады і разлікі параметраў PDS

Згодна з ідэяй DFSS, аналіз допуску павінен праводзіцца па важных канструктыўных параметрах, а іншыя агульныя допускі могуць быць вызначаны эмпірычным шляхам. Сітуацыя ў дадзеным артыкуле зусім асаблівая, паколькі ў залежнасці ад магчымасці апрацоўкі, вытворчы допуск геаметрычных параметраў канструкцыі вельмі малы і практычна не ўплывае на канчатковую частату гудка; у той час як параметры сыравіны значна адрозніваюцца з-за пастаўшчыкоў, а кошт сыравіны складае больш за 80% выдаткаў на перапрацоўку рагоў. Такім чынам, неабходна ўсталяваць разумны дыяпазон дапушчальных уласцівасцей матэрыялу. Адпаведнымі ўласцівасцямі матэрыялу тут з'яўляюцца шчыльнасць, модуль пругкасці і хуткасць распаўсюджвання гукавой хвалі.

Аналіз талерантнасці выкарыстоўвае выпадковае мадэляванне Монтэ-Карла ў ANSYS для выбару метаду лацінскага гіперкуба, паколькі ён можа зрабіць размеркаванне пунктаў адбору проб больш аднастайным і разумным, а таксама атрымаць лепшую карэляцыю на меншую колькасць пунктаў. У гэтым артыкуле ўстаноўлена 30 пунктаў. Дапусцім, што дапушчальныя адхіленні трох параметраў матэрыялу размяркоўваюцца ў адпаведнасці з Гаусам, першапачаткова даецца верхняя і ніжняя мяжа, а затым вылічаецца ў ANSYS.

3.4.2 Аналіз вынікаў PDS

Пры разліку PDS даюцца мэтавыя значэнні зменнай, якія адпавядаюць 30 кропкам выбаркі. Размеркаванне мэтавых зменных невядома. Параметры зноў усталёўваюцца з дапамогай праграмнага забеспячэння Minitab, і частата ў асноўным размяркоўваецца ў адпаведнасці са звычайным размеркаваннем. Гэта забяспечвае статыстычную тэорыю аналізу талерантнасці.

Разлік PDS дае адпаведную формулу ад праектнай зменнай да дапушчальнага пашырэння мэтавай зменнай: дзе y - мэтавая зменная, x - канструктыўная зменная, c - каэфіцыент карэляцыі, i - лік зменнай.

У адпаведнасці з гэтым мэтавы допуск можа быць прызначаны кожнай зменнай канструкцыі для выканання задачы па дызайне дапушчальных паказчыкаў.

3.5 Эксперыментальная праверка

Пярэдняя частка - гэта працэс праектавання ўсяго зварачнага рожка. Пасля завяршэння сыравіна закупляецца ў адпаведнасці з дапушчальнымі адхіленнямі ад матэрыялу, а затым пастаўляецца на вытворчасць. Частата і мадальнае выпрабаванне праводзяцца пасля завяршэння вытворчасці, а выкарыстаны метад выпрабавання з'яўляецца самым простым і эфектыўным метадам снайперскага выпрабавання. Паколькі найбольш занепакоены індэкс - гэта восевая мадальная частата першага парадку, датчык паскарэння прымацаваны да працоўнай паверхні, а другі канец прабіты па восевым кірунку, і фактычная частата гудка можа быць атрымана спектральным аналізам. Вынік мадэлявання праектавання складае 14925 Гц, вынік тэсту - 14954 Гц, раздзяляльнасць частоты - 16 Гц, а максімальная хібнасць менш за 1%. Відаць, што дакладнасць мадэлявання канчатковых элементаў пры мадальным разліку вельмі высокая.

Пасля праходжання эксперыментальнага выпрабавання рог уводзіцца ў вытворчасць і збіраецца на ўльтрагукавым зварачным апараце. Стан рэакцыі добры. Праца была стабільнай больш за паўгода, а кваліфікацыйны ўзровень зваркі высокі, што перавысіла трохмесячны тэрмін службы, абяцаны вытворцам агульнага абсталявання. Гэта паказвае, што дызайн быў паспяховым, а працэс вытворчасці неаднаразова мадыфікаваўся і карэктаваўся, эканомячы час і працоўную сілу.

4 Выснова

Гэты артыкул пачынаецца з прынцыпу ультрагукавой зваркі пластыка, глыбока ўлоўлівае тэхнічную ўвагу зваркі і прапаноўвае канцэпцыю новага рага. Затым выкарыстоўвайце магутную функцыю мадэлявання канчатковых элементаў для канкрэтнага аналізу дызайну і ўвядзіце 6-Sigma дызайнерскую ідэю DFSS і кантралюйце важныя параметры праектавання з дапамогай эксперыментальнага дызайну ANSYS DOE і аналізу допуску PDS для дасягнення надзейнай канструкцыі. Нарэшце, рог быў паспяхова выраблены адзін раз, і канструкцыя была разумнай у выніку эксперыментальнага выпрабавання частоты і фактычнай праверкі вытворчасці. Гэта таксама даказвае, што гэты набор метадаў праектавання з'яўляецца выканальным і эфектыўным.


Час публікацыі: лістапад-04-2020