nyheder

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Forord

Med udviklingen af ​​ultralydsteknologi er dens anvendelse mere og mere omfattende, den kan bruges til at rense små snavspartikler, og den kan også bruges til svejsning af metal eller plast. Især i nutidens plastprodukter anvendes ultralydssvejsning for det meste, fordi skruestrukturen er udeladt, udseendet kan være mere perfekt, og funktionen til vandtætning og støvtætning er også tilvejebragt. Designet af plastsvejsehorn har en vigtig indflydelse på den endelige svejsekvalitet og produktionskapacitet. Ved produktion af nye elektriske målere bruges ultralydsbølger til at smelte de øvre og nedre flader sammen. Under brug viser det sig imidlertid, at der er installeret nogle horn på maskinen og revnet, og andre fejl opstår på kort tid. Noget svejsehorn Fejlfrekvensen er høj. Forskellige fejl har haft en betydelig indvirkning på produktionen. Ifølge forståelsen har udstyrsleverandører begrænsede designmuligheder for horn og ofte gennem gentagne reparationer for at opnå designindikatorer. Derfor er det nødvendigt at bruge vores egne teknologiske fordele til at udvikle holdbart horn og en rimelig designmetode.

2 Ultralydssvejsningsprincip af plast

Ultralydssvejsning af plast er en behandlingsmetode, der anvender kombinationen af ​​termoplast i den højfrekvente tvungen vibration, og svejseoverfladerne gnides mod hinanden for at producere lokal højtemperatursmeltning. For at opnå gode ultralydssvejsningsresultater kræves udstyr, materialer og procesparametre. Følgende er en kort introduktion til dets princip.

2.1 Ultralydssvejsesystem i plast

Figur 1 er et skematisk billede af et svejsesystem. Den elektriske energi føres gennem signalgeneratoren og effektforstærkeren for at frembringe et alternerende elektrisk signal med ultralydsfrekvens (> 20 kHz), der påføres transduceren (piezoelektrisk keramik). Gennem transduceren bliver den elektriske energi til den mekaniske vibrations energi, og amplituden af ​​den mekaniske vibration justeres af hornet til den passende arbejdsamplitude og transmitteres derefter ensartet til materialet i kontakt med det gennem hornet. Kontaktfladerne på de to svejsematerialer udsættes for kraftig vibration med høj frekvens, og friktionsvarmen genererer lokal smeltning ved høj temperatur. Efter afkøling kombineres materialerne for at opnå svejsning.

I et svejsesystem er signalkilden en kredsløbsdel, der indeholder et effektforstærkerkredsløb, hvis frekvensstabilitet og drevkapacitet påvirker maskinens ydeevne. Materialet er termoplastisk, og konstruktionen af ​​fugefladen skal overveje, hvordan man hurtigt genererer varme og lægger til. Transducere, horn og horn kan alle betragtes som mekaniske strukturer til nem analyse af koblingen af ​​deres vibrationer. Ved plastsvejsning transmitteres mekanisk vibration i form af langsgående bølger. Hvordan man effektivt overfører energi og justerer amplituden er designens hovedpunkt.

2.2horn

Hornet fungerer som kontaktgrænsefladen mellem ultralydssvejsemaskinen og materialet. Dets vigtigste funktion er at overføre den langsgående mekaniske vibration, der udsendes af variatoren jævnt og effektivt til materialet. Det anvendte materiale er normalt aluminiumslegering af høj kvalitet eller endda titaniumlegering. Fordi design af plastmaterialer ændrer sig meget, ser udseendet meget anderledes ud, og hornet skal ændres i overensstemmelse hermed. Arbejdsfladens form skal være velafstemt med materialet for ikke at beskadige plasten, når den vibrerer; på samme tid bør den første ordens langsgående vibrationsfastfrekvens koordineres med svejsemaskinens udgangsfrekvens, ellers forbruges vibrationsenergien internt. Når hornet vibrerer, opstår lokal spændingskoncentration. Hvordan man optimerer disse lokale strukturer er også et designhensyn. Denne artikel udforsker, hvordan man anvender ANSYS designhorn for at optimere designparametre og fremstillingstolerancer.

3 svejsehorn design

Som nævnt tidligere er udformningen af ​​svejsehornet ganske vigtigt. Der er mange leverandører af ultralydsudstyr i Kina, der producerer deres egne svejsehorn, men en betydelig del af dem er efterligninger, og derefter trimmes og testes de konstant. Gennem denne gentagne justeringsmetode opnås koordinering af horn og udstyrsfrekvens. I dette papir kan metoden med endeligt element bruges til at bestemme frekvensen, når hornet designes. Hornets testresultat og konstruktionsfrekvensfejl er kun 1%. Samtidig introducerer dette papir konceptet med DFSS (Design For Six Sigma) for at optimere og robust design af horn. Konceptet med 6-Sigma-design er at samle kundens stemme fuldt ud i designprocessen til målrettet design; og overvejelse af mulige afvigelser i produktionsprocessen for at sikre, at kvaliteten af ​​det endelige produkt fordeles inden for et rimeligt niveau. Designprocessen er vist i figur 2. Med udgangspunkt i udviklingen af ​​designindikatorerne er hornets struktur og dimensioner oprindeligt designet i henhold til den eksisterende erfaring. Den parametriske model er etableret i ANSYS, og derefter bestemmes modellen ved hjælp af simuleringseksperimentdesign (DOE) -metoden. Vigtige parametre, i henhold til de robuste krav, bestemme værdien, og brug derefter subproblemmetoden til at optimere andre parametre. Under hensyntagen til indflydelsen af ​​materialer og miljøparametre under fremstillingen og brugen af ​​hornet er det også designet med tolerancer for at opfylde kravene til produktionsomkostninger. Endelig design, fremstilling, test og testteori og faktisk fejl for at imødekomme de designindikatorer, der leveres. Den følgende detaljerede introduktion trin for trin.

20200117113651_36685

3.1 Geometrisk formdesign (etablering af en parametrisk model)

Design af svejsehornet bestemmer først dets omtrentlige geometriske form og struktur og etablerer en parametrisk model til efterfølgende analyse. Figur 3 a) er designet af det mest almindelige svejsehorn, hvor et antal U-formede riller åbnes i vibrationsretningen på et materiale, der er omtrent kubisk. De samlede dimensioner er længderne af X-, Y- og Z-retningerne, og de laterale dimensioner X og Y er generelt sammenlignelige med størrelsen på det emne, der svejses. Længden af ​​Z er lig med ultralydsbølgens halve bølgelængde, fordi i den klassiske vibrationsteori bestemmes den første ordens aksiale frekvens af det langstrakte objekt af dens længde, og halvbølgelængden matches nøjagtigt med det akustiske bølgefrekvens. Dette design er blevet udvidet. Brug er gavnlig for spredning af lydbølger. Formålet med den U-formede rille er at reducere tabet af sidevibration af hornet. Position, størrelse og antal bestemmes i henhold til hornets samlede størrelse. Det kan ses, at der i dette design er færre parametre, der kan reguleres frit, så vi har foretaget forbedringer på dette grundlag. Figur 3 b) er et nydesignet horn, der har en større størrelsesparameter end det traditionelle design: den ydre bueradius R. Derudover er rillen indgraveret på hornets arbejdsflade for at samarbejde med overfladen af ​​plastikemnet, hvilket er fordelagtigt at overføre vibrationsenergi og beskytte emnet mod skader. Denne model er rutinemæssigt parametrisk modelleret i ANSYS og derefter det næste eksperimentelle design.

3.2 DOE eksperimentelt design (bestemmelse af vigtige parametre)

DFSS er oprettet for at løse praktiske tekniske problemer. Det forfølger ikke perfektion, men er effektivt og robust. Det inkorporerer ideen om 6-Sigma, fanger den største modsigelse og opgiver "99,97%", mens det kræver, at designet er ret modstandsdygtigt over for miljøvariabilitet. Derfor skal den først screenes, før målparameteroptimeringen foretages, og den størrelse, der har en vigtig indflydelse på strukturen, skal vælges, og deres værdier skal bestemmes i henhold til robusthedsprincippet.

3.2.1 DOE-parameterindstilling og DOE

Designparametrene er hornform og størrelse U-formet rille osv. I alt otte. Målparameteren er den første ordens aksiale vibrationsfrekvens, fordi den har den største indflydelse på svejsningen, og den maksimale koncentrerede spænding og forskellen i arbejdsfladeamplituden er begrænset som tilstandsvariabler. Baseret på erfaring antages det, at parametrernes effekt på resultaterne er lineær, så hver faktor er kun indstillet til to niveauer, høj og lav. Listen med parametre og tilsvarende navne er som følger.

DOE udføres i ANSYS ved hjælp af den tidligere etablerede parametriske model. På grund af softwarebegrænsninger kan fuldfaktor-DOE kun bruge op til 7 parametre, mens modellen har 8 parametre, og ANSYSs analyse af DOE-resultater er ikke så omfattende som professionel 6-sigma-software og kan ikke håndtere interaktion. Derfor bruger vi APDL til at skrive en DOE-loop til at beregne og udtrække resultaterne af programmet og derefter lægge dataene i Minitab til analyse.

3.2.2 Analyse af DOE-resultater

Minitabs DOE-analyse er vist i figur 4 og inkluderer de vigtigste påvirkningsfaktoranalyser og interaktionsanalyser. Den vigtigste påvirkningsfaktoranalyse bruges til at bestemme, hvilke designvariabler, der har større indflydelse på målvariablen, og derved angive, hvilke der er vigtige designvariabler. Samspillet mellem faktorerne analyseres derefter for at bestemme faktorernes niveau og for at reducere graden af ​​kobling mellem designvariablerne. Sammenlign graden af ​​ændring af andre faktorer, når en designfaktor er høj eller lav. I henhold til det uafhængige aksiom er det optimale design ikke koblet til hinanden, så vælg det niveau, der er mindre variabelt.

Analyseresultaterne af svejsehornet i dette papir er: de vigtige designparametre er den ydre bueradius og spaltebredden på hornet. Niveauet for begge parametre er "højt", dvs. radius tager en større værdi i DOE, og rillebredden tager også en større værdi. De vigtige parametre og deres værdier blev bestemt, og derefter blev flere andre parametre brugt til at optimere designet i ANSYS for at justere hornfrekvensen, så den svarer til svejsemaskinens driftsfrekvens. Optimeringsprocessen er som følger.

3.3 Optimering af målparameter (hornfrekvens)

Parameterindstillingerne for designoptimeringen svarer til indstillingerne for DOE. Forskellen er, at værdierne for to vigtige parametre er bestemt, og de andre tre parametre er relateret til materialegenskaberne, der betragtes som støj og ikke kan optimeres. De resterende tre parametre, der kan justeres, er slidsens aksiale position, længden og hornbredden. Optimeringen bruger subproblemtilnærmelsesmetoden i ANSYS, som er en meget anvendt metode til tekniske problemer, og den specifikke proces er udeladt.

Det er værd at bemærke, at brug af frekvens som målvariabel kræver lidt dygtighed i drift. Fordi der er mange designparametre og en bred vifte af variationer, er vibrationstilstandene for hornet mange i frekvensområdet af interesse. Hvis resultatet af modal analyse anvendes direkte, er det vanskeligt at finde den første ordens aksiale tilstand, fordi den modale sekvensinterfoliering kan forekomme, når parametrene ændres, det vil sige den naturlige frekvens ordinal svarende til den oprindelige tilstand ændres. Derfor vedtager dette papir først den modale analyse og bruger derefter den modale superpositionmetode til at opnå frekvensresponskurven. Ved at finde topværdien af ​​frekvensresponskurven kan den sikre den tilsvarende modalfrekvens. Dette er meget vigtigt i den automatiske optimeringsproces, hvilket eliminerer behovet for manuelt at bestemme modaliteten.

Når optimeringen er afsluttet, kan hornets designfrekvens være meget tæt på målfrekvensen, og fejlen er mindre end den toleranceværdi, der er angivet i optimeringen. På dette tidspunkt bestemmes horndesignet grundlæggende efterfulgt af fremstillingstolerancer for produktionsdesign.

20200117113652_29938

3.4 Tolerance design

Det generelle strukturelle design er afsluttet, efter at alle designparametre er blevet bestemt, men for tekniske problemer, især når man overvejer omkostningerne ved masseproduktion, er tolerance design vigtigt. Omkostningerne ved lav præcision reduceres også, men evnen til at imødekomme designmålinger kræver statistiske beregninger til kvantitative beregninger. PDS Probability Design System i ANSYS kan bedre analysere forholdet mellem designparametertolerance og målparametertolerance og kan generere komplette relaterede rapportfiler.

3.4.1 PDS-parameterindstillinger og beregninger

Ifølge DFSS-ideen skal toleranceanalyse udføres på vigtige designparametre, og andre generelle tolerancer kan bestemmes empirisk. Situationen i dette papir er ganske speciel, for ifølge bearbejdningsevnen er fremstillingstolerancen for geometriske designparametre meget lille og har ringe effekt på den endelige hornfrekvens; mens parametrene for råvarer er meget forskellige på grund af leverandører, og prisen på råvarer tegner sig for mere end 80% af omkostningerne til forarbejdning af horn. Derfor er det nødvendigt at indstille et rimeligt toleranceområde for materialegenskaberne. De relevante materialegenskaber her er tæthed, elasticitetsmodul og hastighed for lydbølgeforplantning.

Toleransanalyse bruger tilfældig Monte Carlo-simulering i ANSYS til at prøve Latin Hypercube-metoden, fordi den kan gøre fordelingen af ​​prøveudtagningspunkter mere ensartet og rimelig og opnå bedre korrelation med færre punkter. Dette papir sætter 30 point. Antag, at tolerancerne for de tre materialeparametre er fordelt i henhold til Gauss, oprindeligt givet en øvre og nedre grænse og derefter beregnet i ANSYS.

3.4.2 Analyse af PDS-resultater

Ved beregningen af ​​PDS gives målvariabelværdierne svarende til 30 prøveudtagningspunkter. Fordelingen af ​​målvariablerne er ukendt. Parametrene monteres igen ved hjælp af Minitab-software, og frekvensen fordeles grundlæggende i henhold til normalfordelingen. Dette sikrer den statistiske teori om toleranceanalyse.

PDS-beregningen giver en passende formel fra designvariablen til toleranceudvidelsen af ​​målvariablen: hvor y er målvariablen, x er designvariablen, c er korrelationskoefficienten, og i er det variable tal.

Ifølge dette kan måltolerancen tildeles hver designvariabel for at fuldføre opgaven med tolerance design.

3.5 Eksperimentel verifikation

Den forreste del er designprocessen for hele svejsehornet. Efter afslutningen købes råmaterialerne i henhold til de materialetolerancer, der er tilladt i designet, og derefter leveres til fremstillingen. Frekvens- og modaltest udføres, efter at fremstillingen er afsluttet, og den anvendte testmetode er den enkleste og mest effektive snigskyttetestmetode. Fordi det mest berørte indeks er den første ordens aksiale modalfrekvens, er accelerationssensoren fastgjort til arbejdsfladen, og den anden ende rammes langs den aksiale retning, og hornets faktiske frekvens kan opnås ved spektralanalyse. Simuleringsresultatet af designet er 14925 Hz, testresultatet er 14954 Hz, frekvensopløsningen er 16 Hz, og den maksimale fejl er mindre end 1%. Det kan ses, at nøjagtigheden af ​​det endelige element-simulering i modalberegningen er meget høj.

Efter bestået eksperimentel test sættes hornet i produktion og samling på ultralydssvejsemaskinen. Reaktionstilstanden er god. Arbejdet har været stabilt i mere end et halvt år, og svejsningskvalifikationsgraden er høj, hvilket har overskredet den tre-måneders levetid, som den generelle udstyrsproducent har lovet. Dette viser, at designet er vellykket, og fremstillingsprocessen er ikke gentagne gange blevet ændret og justeret, hvilket sparer tid og arbejdskraft.

4. Konklusion

Dette papir starter med princippet om ultralydssvejsning af plastik, dybtgående forståelse af det tekniske fokus for svejsning og foreslår designkonceptet med nyt horn. Brug derefter den kraftige simuleringsfunktion af finite element til at analysere designet konkret, og introducer DFSSs 6-Sigma designidee, og styr de vigtige designparametre gennem ANSYS DOE eksperimentelt design og PDS tolerance analyse for at opnå robust design. Endelig blev hornet fremstillet med succes en gang, og designet var rimeligt ved den eksperimentelle frekvens test og den faktiske produktionsverifikation. Det beviser også, at dette sæt designmetoder er gennemførligt og effektivt.


Indlægstid: Nov-04-2020