uutiset

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Esipuhe

Ultraäänitekniikan kehittyessä sen soveltaminen on yhä laajempaa, sitä voidaan käyttää pienien likahiukkasten puhdistamiseen ja sitä voidaan käyttää myös metallin tai muovin hitsaamiseen. Varsinkin nykypäivän muovituotteissa käytetään enimmäkseen ultraäänihitsausta, koska ruuvirakenne jätetään pois, ulkonäkö voi olla täydellisempi ja myös vedeneristyksen ja pölytiivistyksen toiminta on mahdollista. Muovihitsaussarjan suunnittelulla on tärkeä vaikutus hitsauksen lopulliseen laatuun ja tuotantokapasiteettiin. Uusien sähkömittareiden tuotannossa ultraääni-aaltoja käytetään sulauttamaan ylempi ja alempi pinta yhteen. Käytön aikana havaitaan kuitenkin, että jotkut sarvet on asennettu koneeseen ja murtuneet ja muita vikoja esiintyy lyhyessä ajassa. Jotkut hitsaussarvi Vikojen määrä on korkea. Eri vikoilla on ollut huomattava vaikutus tuotantoon. Ymmärtämyksen mukaan laitetoimittajilla on rajalliset sarven suunnittelumahdollisuudet ja usein toistuvien korjausten avulla suunnittelun indikaattoreiden saavuttamiseksi. Siksi on välttämätöntä käyttää omia teknisiä etujamme kestävän sarven ja kohtuullisen suunnittelumenetelmän kehittämiseksi.

2 Ultraääni muovihitsausperiaate

Ultraäänimuovihitsaus on prosessimenetelmä, joka hyödyntää kestomuovien yhdistelmää suurtaajuisessa pakotetussa värähtelyssä, ja hitsauspinnat hierovat toisiaan vasten paikallisen korkeassa lämpötilassa sulamisen aikaansaamiseksi. Hyvien ultraäänihitsaustulosten saavuttamiseksi tarvitaan laitteita, materiaaleja ja prosessiparametreja. Seuraava on lyhyt esittely sen periaatteesta.

2.1 Ultraääni-muovihitsausjärjestelmä

Kuvio 1 on kaaviokuva hitsausjärjestelmästä. Sähköenergia johdetaan signaaligeneraattorin ja tehovahvistimen läpi tuottamaan vaihteleva ultraäänitaajuinen (> 20 kHz) sähköinen signaali, joka syötetään anturiin (pietsosähköinen keraaminen). Anturin kautta sähköenergiasta tulee mekaanisen värähtelyn energia, ja sarvi säätää mekaanisen värähtelyn amplitudin sopivaan työskentelyamplitudiin ja siirtyy sitten tasaisesti sen kanssa kosketuksessa olevaan materiaaliin sarven kautta. Kahden hitsausmateriaalin kosketuspinnoille kohdistuu korkeataajuista pakotettua tärinää, ja kitkalämpö aiheuttaa paikallisen korkeassa lämpötilassa sulamisen. Jäähdyttämisen jälkeen materiaalit yhdistetään hitsauksen aikaansaamiseksi.

Hitsausjärjestelmässä signaalilähde on piiriosa, joka sisältää tehovahvistinpiirin, jonka taajuuden vakaus ja käyttöominaisuudet vaikuttavat koneen suorituskykyyn. Materiaali on kestomuovia, ja liitospinnan suunnittelussa on harkittava, kuinka nopeasti tuottaa lämpöä ja telakkaa. Anturit, sarvet ja sarvet voidaan kaikkia pitää mekaanisina rakenteina niiden värähtelyjen kytkemisen helpottamiseksi. Muovihitsauksessa mekaaninen tärinä välittyy pituussuuntaisten aaltojen muodossa. Suunnittelun pääkohde on kuinka tehokkaasti siirtää energiaa ja säätää amplitudia.

2.2 sarvi

Sarvi toimii kosketusrajapintana ultraäänihitsauskoneen ja materiaalin välillä. Sen päätehtävä on välittää variaattorin tuottama mekaaninen pitkittäinen tärinä tasaisesti ja tehokkaasti materiaaliin. Materiaali on yleensä korkealaatuista alumiiniseosta tai jopa titaaniseosta. Koska muovimateriaalien muotoilu muuttuu paljon, ulkonäkö on hyvin erilainen, ja sarven on muututtava vastaavasti. Työpinnan muodon tulee olla hyvin sovitettu materiaaliin, jotta muovia ei vahingoiteta tärisemisen aikana; samaan aikaan ensimmäisen asteen pituussuuntaisen tärinän kiinteä taajuus tulisi sovittaa yhteen hitsauskoneen lähtötaajuuden kanssa, muuten tärinäenergia kulutetaan sisäisesti. Kun sarvi värisee, tapahtuu paikallista stressipitoisuutta. Näiden paikallisten rakenteiden optimointi on myös suunnittelunäkökohtaa. Tässä artikkelissa selvitetään, kuinka ANSYS-suunnittelutorvea voidaan käyttää suunnitteluparametrien ja valmistustoleranssien optimointiin.

3 hitsaussarjan muotoilua

Kuten aiemmin mainittiin, hitsaussarven suunnittelu on varsin tärkeä. Kiinassa on monia ultraäänilaitteiden toimittajia, jotka tuottavat omia hitsaussarveja, mutta huomattava osa niistä on jäljitelmiä, ja sitten ne trimmaavat ja testaavat jatkuvasti. Tällä toistuvalla säätömenetelmällä saavutetaan sarven ja laitteen taajuuden koordinointi. Tässä artikkelissa äärellisen elementin menetelmää voidaan käyttää taajuuden määrittämiseen sarvea suunniteltaessa. Sarvetestitulos ja suunnittelutaajuusvirhe ovat vain 1%. Samalla tässä artikkelissa esitellään DFSS (Design For Six Sigma) -konsepti sarven optimoimiseksi ja kestäväksi suunnitteluksi. 6-Sigma-suunnittelun tarkoituksena on kerätä asiakkaan ääni täysin suunnitteluprosessissa kohdennettua suunnittelua varten; ja mahdollisten poikkeamien huomioon ottaminen tuotantoprosessissa sen varmistamiseksi, että lopputuotteen laatu jaetaan kohtuullisella tasolla. Suunnitteluprosessi on esitetty kuvassa 2. Suunnittelumittareiden kehityksestä alkaen sarven rakenne ja mitat suunnitellaan alun perin olemassa olevan kokemuksen mukaan. Parametrimalli vahvistetaan ANSYS: ssä, ja sitten malli määritetään simulointikokeiden suunnittelun (DOE) menetelmällä. Tärkeät parametrit vakaiden vaatimusten mukaan määrittävät arvon ja optimoivat sitten aliongelmamenetelmää muut parametrit. Ottaen huomioon materiaalien ja ympäristöparametrien vaikutus sarven valmistuksessa ja käytössä, se on myös suunniteltu toleransseilla vastaamaan valmistuskustannusten vaatimuksia. Lopuksi valmistus-, testaus- ja testiteorian suunnittelu ja todellinen virhe vastaamaan toimitettuja suunnitteluindikaattoreita. Seuraava vaiheittainen yksityiskohtainen esittely.

20200117113651_36685

3.1 Geometrinen muodon suunnittelu (parametrisen mallin luominen)

Hitsaussarven suunnittelu määrittää ensin sen likimääräisen geometrisen muodon ja rakenteen ja muodostaa parametrisen mallin myöhempää analyysia varten. Kuvio 3 a) on yleisimmän hitsaussarjan malli, jossa useita U-muotoisia uria avataan värähtelyn suunnassa suunnilleen neliönmuotoisella materiaalilla. Kokonaismitat ovat X-, Y- ja Z-suunnan pituudet, ja sivumitat X ja Y ovat yleensä verrattavissa hitsattavan työkappaleen kokoon. Z: n pituus on yhtä suuri kuin ultraääniaallon puoli aallonpituus, koska klassisessa värähtelyteoriassa pitkänomaisen kohteen ensimmäisen asteen aksiaalitaajuus määräytyy sen pituuden mukaan ja puoliaallon pituus sovitetaan tarkasti akustisen aaltotaajuus. Tätä mallia on laajennettu. Käyttö on hyödyllistä ääniaaltojen leviämiselle. U-muotoisen uran tarkoituksena on vähentää sarven sivutärinähäviötä. Asento, koko ja määrä määritetään sarven kokonaiskoon mukaan. Voidaan nähdä, että tässä suunnittelussa on vähemmän parametreja, joita voidaan vapaasti säätää, joten olemme tehneet parannuksia tältä pohjalta. Kuva 3 b) on hiljattain suunniteltu sarvi, jolla on vielä yksi kokoparametri kuin perinteisessä mallissa: ulkokaaren säde R. Lisäksi ura on kaiverrettu sarven työpinnalle toimimaan yhdessä muovisen työkappaleen pinnan kanssa, mikä on hyödyllistä siirtää tärinäenergiaa ja suojata työkappaletta vaurioilta. Tämä malli mallinnetaan rutiininomaisesti parametrisesti ANSYS: ssä ja sitten seuraava kokeellinen suunnittelu.

3.2 DOE-kokeellinen suunnittelu (tärkeiden parametrien määrittäminen)

DFSS on luotu ratkaisemaan käytännön suunnitteluongelmia. Se ei tavoittele täydellisyyttä, mutta on tehokas ja kestävä. Se ilmentää 6-Sigma-ajatusta, vangitsee tärkeimmän ristiriidan ja hylkää "99,97%" ja vaatii samalla, että suunnittelun on oltava melko kestävä ympäristön vaihtelulle. Siksi ennen kohdeparametrien optimointia se tulisi ensin seuloa ja valita rakenne, jolla on tärkeä vaikutus rakenteeseen, ja niiden arvot olisi määritettävä kestävyysperiaatteen mukaisesti.

3.2.1 DOE-parametriasetus ja DOE

Suunnitteluparametrit ovat sarven muoto ja U-muotoisen uran jne. Kokoasento, yhteensä kahdeksan. Kohdeparametri on ensiluokkainen aksiaalivärähtelytaajuus, koska sillä on suurin vaikutus hitsiin, ja suurin keskitetty jännitys ja työpinnan amplitudin ero ovat rajoitettuja tilamuuttujina. Kokemuksen perusteella oletetaan, että parametrien vaikutus tuloksiin on lineaarinen, joten kukin tekijä asetetaan vain kahdelle tasolle, korkea ja matala. Parametrien ja vastaavien nimien luettelo on seuraava.

DOE suoritetaan ANSYS: ssä käyttäen aiemmin määritettyä parametrimallia. Ohjelmistorajoitusten vuoksi täystekijäinen DOE voi käyttää enintään 7 parametria, kun taas mallissa on 8 parametria, eikä ANSYS: n DOE-tulosten analyysi ole yhtä kattava kuin ammattimainen 6-sigmaohjelmisto, eikä se pysty käsittelemään vuorovaikutusta. Siksi kirjoitamme DOD-silmukan APDL: n avulla laskemaan ja poimimaan ohjelman tulokset ja asettamaan sitten tiedot Minitabiin analysoitavaksi.

3.2.2 DOE-tulosten analyysi

Minitabin DOE-analyysi on esitetty kuvassa 4, ja se sisältää tärkeimmät vaikuttavien tekijöiden analyysit ja vuorovaikutusanalyysit. Tärkeintä vaikuttavien tekijöiden analyysiä käytetään määrittämään, mitkä suunnittelumuuttujan muutoksilla on suurempi vaikutus kohdemuuttujaan, mikä osoittaa, mitkä ovat tärkeitä suunnittelumuuttujia. Tekijöiden välinen vuorovaikutus analysoidaan sitten tekijöiden tason määrittämiseksi ja suunnittelumuuttujien kytkentäasteen vähentämiseksi. Vertaa muiden tekijöiden muutosastetta, kun suunnittelutekijä on korkea tai matala. Riippumattoman aksiooman mukaan optimaalista suunnittelua ei ole kytketty toisiinsa, joten valitse taso, joka on vähemmän vaihteleva.

Hitsaussarven analyysitulokset tässä asiakirjassa ovat: tärkeät suunnitteluparametrit ovat ulkokaaren säde ja sarven uran leveys. Molempien parametrien taso on "korkea", toisin sanoen säde saa suuremman arvon DOE: ssä ja uran leveys myös suuremman arvon. Tärkeät parametrit ja niiden arvot määritettiin, ja sitten useita muita parametreja käytettiin ANSYS: n suunnittelun optimoimiseksi sarvetaajuuden säätämiseksi vastaamaan hitsauskoneen toimintataajuutta. Optimointiprosessi on seuraava.

3.3 Kohdeparametrien optimointi (sarvetaajuus)

Suunnittelun optimoinnin parametriasetukset ovat samanlaisia ​​kuin DOE: n. Erona on, että kahden tärkeän parametrin arvot on määritetty, ja muut kolme parametria liittyvät materiaalin ominaisuuksiin, joita pidetään meluna ja joita ei voida optimoida. Loput kolme säädettävää parametria ovat uran aksiaalinen sijainti, pituus ja sarven leveys. Optimoinnissa käytetään ANSYS: n osaongelman approksimaatiomenetelmää, joka on laajalti käytetty menetelmä tekniikan ongelmissa, ja tietty prosessi jätetään pois.

On syytä huomata, että taajuuden käyttäminen kohdemuuttujana vaatii vähän taitoa toiminnassa. Koska suunnitteluparametreja on paljon ja vaihteluväli on laaja, sarven värähtelymoodit ovat monia kiinnostavalla taajuusalueella. Jos modaalianalyysin tulosta käytetään suoraan, ensimmäisen asteen aksiaalimoodia on vaikea löytää, koska modaalisen sekvenssin lomitus voi tapahtua, kun parametrit muuttuvat, toisin sanoen alkuperäistä tilaa vastaava luonnollinen taajuusjärjestys muuttuu. Siksi tässä artikkelissa hyväksytään ensin modaalianalyysi ja käytetään sitten modaalista superpositiomenetelmää taajuusvastekäyrän saamiseksi. Löytämällä taajuusvastekäyrän huippuarvo, se voi varmistaa vastaavan modaalisen taajuuden. Tämä on erittäin tärkeää automaattisessa optimointiprosessissa, jolloin modaalisuus ei tarvitse määrittää manuaalisesti.

Kun optimointi on valmis, sarven suunnittelutyötaajuus voi olla hyvin lähellä tavoitetaajuutta, ja virhe on pienempi kuin optimoinnissa määritetty toleranssiarvo. Tässä vaiheessa sarven muotoilu määritetään periaatteessa, jota seuraavat valmistustoleranssit tuotannon suunnittelulle.

20200117113652_29938

3.4 Suvaitsevaisuuden suunnittelu

Yleinen rakennesuunnittelu valmistuu, kun kaikki suunnitteluparametrit on määritetty, mutta toleranssisuunnittelu on välttämätöntä suunnittelun ongelmien varalta, etenkin kun otetaan huomioon massatuotannon kustannukset. Pienen tarkkuuden kustannukset ovat myös pienemmät, mutta kyky täyttää suunnittelutiedot edellyttävät tilastollisia laskelmia kvantitatiivisiin laskelmiin. ANSYS: n PDS-todennäköisyyksien suunnittelujärjestelmä voi paremmin analysoida suunnitteluparametrien toleranssin ja kohdeparametrien toleranssin välistä suhdetta ja luoda täydelliset siihen liittyvät raporttitiedostot.

3.4.1 PDS-parametrien asetukset ja laskelmat

DFSS-idean mukaan toleranssianalyysi tulisi tehdä tärkeille suunnitteluparametreille, ja muut yleiset toleranssit voidaan määrittää empiirisesti. Tämän artikkelin tilanne on varsin erikoinen, koska koneistuskyvyn mukaan geometristen suunnitteluparametrien valmistustoleranssi on hyvin pieni eikä sillä ole juurikaan vaikutusta sarven lopulliseen taajuuteen; Vaikka raaka-aineiden parametrit eroavat suuresti toimittajien takia, ja raaka-aineiden hinta muodostaa yli 80% sarven käsittelykustannuksista. Siksi on tarpeen asettaa kohtuullinen toleranssialue materiaalin ominaisuuksille. Asiaankuuluvat materiaaliominaisuudet ovat tiheys, kimmokerroin ja ääniaaltojen etenemisnopeus.

Toleranssianalyysi käyttää ANSYS: n satunnaista Monte Carlon simulaatiota ottaakseen latinalaisen Hypercube-menetelmän, koska se voi tehdä näytteenottopisteiden jakautumisesta yhtenäisemmän ja kohtuullisemman ja saada paremman korrelaation vähemmän pisteillä. Tässä artikkelissa asetetaan 30 pistettä. Oletetaan, että kolmen materiaaliparametrin toleranssit jaetaan Gaussin mukaan, aluksi annetaan ylempi ja alempi raja ja lasketaan sitten ANSYS: ssä.

3.4.2 PDS-tulosten analyysi

PDS-laskelman avulla annetaan tavoitemuuttuja-arvot, jotka vastaavat 30 näytteenottopistettä. Kohdemuuttujien jakaumaa ei tunneta. Parametrit sovitetaan uudelleen Minitab-ohjelmistolla, ja taajuus jaetaan periaatteessa normaalijakauman mukaan. Tämä varmistaa toleranssianalyysin tilastoteorian.

PDS-laskelma antaa sopivan kaavan suunnittelumuuttujasta kohdemuuttujan toleranssilaajennukseen: missä y on kohdemuuttuja, x on suunnittelumuuttuja, c on korrelaatiokerroin ja i on muuttujan luku.

Tämän mukaisesti tavoitetoleranssi voidaan osoittaa jokaiselle suunnittelumuuttujalle suvaitsevaisuuden suunnittelun tehtävän suorittamiseksi.

3.5 Kokeellinen todentaminen

Etuosa on koko hitsaussarjan suunnitteluprosessi. Valmistumisen jälkeen raaka-aineet ostetaan suunnittelun sallimien materiaalitoleranssien mukaisesti ja toimitetaan sitten valmistukseen. Taajuus- ja modaalitestaus suoritetaan valmistuksen jälkeen, ja käytetty testimenetelmä on yksinkertaisin ja tehokkain sniper-testimenetelmä. Koska eniten huolta aiheuttava indeksi on ensiluokkainen aksiaalinen modaalitaajuus, kiihtyvyysanturi on kiinnitetty työpintaan ja toinen pää osuu aksiaalisuunnassa, ja sarven todellinen taajuus voidaan saada spektrianalyysillä. Suunnittelun simulointitulos on 14925 Hz, testitulos on 14954 Hz, taajuusresoluutio on 16 Hz ja suurin virhe on alle 1%. Voidaan nähdä, että rajallisten elementtien simulaation tarkkuus modaalilaskennassa on erittäin korkea.

Kokeen läpäisyn jälkeen sarvi laitetaan tuotantoon ja kokoonpanoon ultraäänihitsauskoneella. Reaktio-olosuhteet ovat hyvät. Työ on ollut vakaa yli puoli vuotta, ja hitsauksen pätevyysaste on korkea, mikä on ylittänyt yleisen laitevalmistajan lupaaman kolmen kuukauden käyttöiän. Tämä osoittaa, että suunnittelu on onnistunut, eikä valmistusprosessia ole muutettu ja muutettu toistuvasti, mikä säästää aikaa ja työvoimaa.

4. Yhteenveto

Tämä paperi alkaa ultraäänimuovihitsauksen periaatteesta, tarttuu syvällisesti hitsauksen tekniseen painopisteeseen ja ehdottaa uuden sarven suunnittelukonseptia. Käytä sitten äärellisen elementin tehokasta simulointitoimintoa analysoidaksesi suunnittelua konkreettisesti, ja esittele DFSS: n 6-Sigma-suunnitteluidea ja hallitse tärkeitä suunnitteluparametreja ANSYS DOE -kokeellisen suunnittelun ja PDS-toleranssianalyysin avulla vankan suunnittelun saavuttamiseksi. Lopuksi sarvi valmistettiin onnistuneesti kerran, ja suunnittelu oli kohtuullinen kokeellisella taajuuskoeella ja todellisella tuotannon todentamisella. Se osoittaa myös, että nämä suunnittelumenetelmät ovat toteutettavissa ja tehokkaita.


Lähetysaika: Marras-04-2020