Haberler

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Önsöz

Ultrasonik teknolojinin gelişmesiyle, uygulaması giderek daha kapsamlı hale gelmekte, küçük kir partiküllerini temizlemek için kullanılabileceği gibi, metal veya plastik kaynağı için de kullanılabilir. Özellikle günümüz plastik ürünlerinde ultrasonik kaynak daha çok kullanılmaktadır, çünkü vida yapısı ihmal edilmiştir, görünüm daha mükemmel olabilmekte, su geçirmezlik ve toz geçirmezlik işlevi de sağlanmaktadır. Plastik kaynak kornasının tasarımı, nihai kaynak kalitesi ve üretim kapasitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yeni elektrik sayaçlarının üretiminde üst ve alt yüzleri birbirine kaynaştırmak için ultrasonik dalgalar kullanılmaktadır. Ancak kullanım sırasında makineye bazı boynuzların takıldığı ve çatladığı ve diğer arızaların kısa sürede meydana geldiği tespit edilmiştir. Biraz kaynak kornası Kusur oranı yüksektir. Çeşitli hataların üretim üzerinde önemli bir etkisi olmuştur. Anlayışa göre, ekipman tedarikçilerinin korna için sınırlı tasarım yetenekleri vardır ve genellikle tasarım göstergelerini elde etmek için tekrarlanan onarımlar yoluyla. Bu nedenle dayanıklı kornayı ve makul bir tasarım yöntemini geliştirmek için kendi teknolojik avantajlarımızı kullanmak gerekir.

2 Ultrasonik plastik kaynak prensibi

Ultrasonik plastik kaynak, yüksek frekanslı zorlanmış titreşimde termoplastiklerin kombinasyonunu kullanan bir işleme yöntemidir ve kaynak yüzeyleri yerel yüksek sıcaklıkta eritme üretmek için birbirine sürtünür. İyi ultrasonik kaynak sonuçları elde etmek için ekipman, malzeme ve işlem parametreleri gereklidir. Aşağıdaki, ilkesine kısa bir giriş niteliğindedir.

2.1 Ultrasonik plastik kaynak sistemi

Şekil 1, bir kaynak sisteminin şematik bir görünümüdür. Elektrik enerjisi, dönüştürücüye (piezoelektrik seramik) uygulanan alternatif bir ultrasonik frekans (> 20 kHz) elektrik sinyali üretmek için sinyal oluşturucu ve güç amplifikatöründen geçirilir. Dönüştürücü aracılığıyla, elektrik enerjisi mekanik titreşimin enerjisi haline gelir ve mekanik titreşimin genliği, boynuz tarafından uygun çalışma genliğine ayarlanır ve ardından boynuz aracılığıyla onunla temas halinde olan malzemeye düzgün bir şekilde iletilir. İki kaynak malzemesinin temas yüzeyleri yüksek frekanslı zorlamalı titreşime maruz kalır ve sürtünme ısısı yerel yüksek sıcaklıkta erimeye neden olur. Soğuduktan sonra malzemeler birleştirilerek kaynak elde edilir.

Bir kaynak sisteminde, sinyal kaynağı, frekans kararlılığı ve tahrik kapasitesi makinenin performansını etkileyen bir güç amplifikatör devresi içeren bir devre parçasıdır. Malzeme bir termoplastiktir ve bağlantı yüzeyinin tasarımının nasıl hızlı bir şekilde ısı üretip kenetleneceğini düşünmesi gerekir. Transdüserler, boynuzlar ve boynuzlar, titreşimlerinin bağlanmasının kolay analizi için mekanik yapılar olarak kabul edilebilir. Plastik kaynakta mekanik titreşim uzunlamasına dalgalar şeklinde iletilir. Enerjinin nasıl etkili bir şekilde aktarılacağı ve genliğin nasıl ayarlanacağı, tasarımın ana noktasıdır.

2.2 boynuz

Korna, ultrasonik kaynak makinesi ile malzeme arasında temas arayüzü olarak hizmet eder. Ana işlevi, varyatörün çıkardığı uzunlamasına mekanik titreşimi malzemeye eşit ve verimli bir şekilde iletmektir. Kullanılan malzeme genellikle yüksek kaliteli alüminyum alaşımı veya hatta titanyum alaşımıdır. Plastik malzemelerin dizaynı çok değiştiği için görünüm çok farklıdır ve boynuz da buna göre değişmek zorundadır. Çalışma yüzeyinin şekli, titreşirken plastiğe zarar vermemek için malzeme ile iyi bir şekilde eşleşmelidir; aynı zamanda, birinci dereceden boylamasına titreşim katı frekansı kaynak makinesinin çıkış frekansı ile koordine edilmelidir, aksi takdirde titreşim enerjisi dahili olarak tüketilecektir. Korna titreştiğinde, yerel gerilim konsantrasyonu oluşur. Bu yerel yapıların nasıl optimize edileceği de bir tasarım meselesidir. Bu makale, tasarım parametrelerini ve üretim toleranslarını optimize etmek için ANSYS tasarım boynuzunun nasıl uygulanacağını araştırmaktadır.

3 kaynak kornası tasarımı

Daha önce de belirtildiği gibi, kaynak kornasının tasarımı oldukça önemlidir. Çin'de kendi kaynak kornalarını üreten birçok ultrasonik ekipman tedarikçisi var, ancak bunların önemli bir kısmı taklitler ve daha sonra sürekli olarak kırpıyor ve test ediyorlar. Bu tekrarlanan ayarlama yöntemi sayesinde, korna ve ekipman frekansının koordinasyonu sağlanır. Bu yazıda, boynuz tasarlanırken frekansı belirlemek için sonlu elemanlar yöntemi kullanılabilir. Korna testi sonucu ve tasarım frekansı hatası sadece% 1'dir. Aynı zamanda, bu makale boynuzun optimize ve sağlam tasarımını optimize etmek için DFSS (Altı Sigma İçin Tasarım) kavramını tanıtmaktadır. 6 Sigma tasarım kavramı, hedeflenen tasarım için tasarım sürecinde müşterinin sesini tam olarak toplamaktır; ve nihai ürünün kalitesinin makul bir seviyede dağıtılmasını sağlamak için üretim sürecindeki olası sapmaların önceden değerlendirilmesi. Tasarım süreci Şekil 2'de gösterilmiştir. Tasarım göstergelerinin geliştirilmesinden başlayarak, kornanın yapısı ve boyutları başlangıçta mevcut deneyime göre tasarlanır. Parametrik model ANSYS'de kurulur ve daha sonra model simülasyon deney tasarımı (DOE) yöntemi ile belirlenir. Önemli parametreler, sağlam gereksinimlere göre değeri belirler ve ardından diğer parametreleri optimize etmek için alt problem yöntemini kullanır. Kornanın üretimi ve kullanımı sırasında malzeme ve çevresel parametrelerin etkisi dikkate alınarak, üretim maliyetlerinin gereksinimlerini karşılayacak toleranslarla da tasarlanmıştır. Son olarak, teslim edilen tasarım göstergelerini karşılamak için üretim, test ve test teorisi tasarımı ve gerçek hata. Aşağıdaki adım adım ayrıntılı giriş.

20200117113651_36685

3.1 Geometrik şekil tasarımı (parametrik bir model oluşturma)

Kaynak kornasının tasarlanması, önce yaklaşık geometrik şeklini ve yapısını belirler ve sonraki analiz için parametrik bir model oluşturur. Şekil 3 a), yaklaşık olarak kübik bir malzeme üzerinde titreşim yönünde bir dizi U-şekilli oluğun açıldığı en yaygın kaynak kornasının tasarımıdır. Genel boyutlar, X, Y ve Z yönlerinin uzunluklarıdır ve X ve Y yanal boyutları genellikle kaynak yapılan iş parçasının boyutuyla karşılaştırılabilir. Z'nin uzunluğu, ultrasonik dalganın yarı dalga boyuna eşittir, çünkü klasik titreşim teorisinde, uzatılmış nesnenin birinci dereceden eksenel frekansı, uzunluğuna göre belirlenir ve yarım dalga uzunluğu, akustik ile tam olarak eşleşir. dalga frekansı. Bu tasarım genişletildi. Kullanımı, ses dalgalarının yayılmasına faydalıdır. U şeklindeki oluğun amacı, boynuzun yanal titreşim kaybını azaltmaktır. Boynuzun genel boyutuna göre konumu, boyutu ve sayısı belirlenir. Görüldüğü gibi bu tasarımda, serbestçe düzenlenebilen daha az parametre var, bu yüzden bu temelde iyileştirmeler yaptık. Şekil 3 b), geleneksel tasarıma göre bir boyut parametresi daha fazla olan yeni tasarlanmış bir boynuzdur: dış yay yarıçapı R.Ayrıca, oluk, plastik iş parçasının yüzeyi ile işbirliği yapmak için boynuzun çalışma yüzeyine oyulmuştur, bu, titreşim enerjisini iletmek ve iş parçasını hasardan korumak için faydalıdır. Bu model rutin olarak parametrik olarak ANSYS'de ve ardından bir sonraki deneysel tasarımda modellenmiştir.

3.2 DOE deneysel tasarımı (önemli parametrelerin belirlenmesi)

DFSS, pratik mühendislik problemlerini çözmek için oluşturulmuştur. Mükemmelliğin peşine düşmez, ancak etkili ve sağlamdır. 6 Sigma fikrini bünyesinde barındırır, ana çelişkiyi yakalar ve tasarımın çevresel değişkenliğe oldukça dirençli olmasını gerektirirken “% 99,97” yi terk eder. Bu nedenle hedef parametre optimizasyonu yapılmadan önce öncelikle taranmalı, yapı üzerinde önemli etkisi olan boyut seçilmeli ve sağlamlık ilkesine göre değerleri belirlenmelidir.

3.2.1 DOE parametre ayarı ve DOE

Tasarım parametreleri, boynuz şekli ve U şeklindeki oluğun boyut konumu, vb. Toplam sekizdir. Hedef parametre, birinci dereceden eksenel titreşim frekansıdır çünkü kaynak üzerinde en büyük etkiye sahiptir ve maksimum konsantre gerilim ve çalışma yüzeyi genliğindeki fark, durum değişkenleri olarak sınırlıdır. Deneyimlere dayanarak, parametrelerin sonuçlar üzerindeki etkisinin doğrusal olduğu varsayılır, bu nedenle her faktör yalnızca yüksek ve düşük olmak üzere iki seviyeye ayarlanır. Parametrelerin listesi ve ilgili adlar aşağıdaki gibidir.

DOE, ANSYS'de önceden kurulmuş parametrik model kullanılarak gerçekleştirilir. Yazılım sınırlamaları nedeniyle, modelin 8 parametresi varken, tam faktörlü DOE yalnızca 7 parametreye kadar kullanabilir ve ANSYS'nin DOE sonuçlarının analizi profesyonel 6 sigma yazılımı kadar kapsamlı değildir ve etkileşimi kaldıramaz. Bu nedenle, programın sonuçlarını hesaplamak ve çıkarmak için bir DOE döngüsü yazmak için APDL kullanıyoruz ve ardından verileri analiz için Minitab'a koyuyoruz.

3.2.2 DOE sonuçlarının analizi

Minitab'ın DOE analizi Şekil 4'te gösterilmektedir ve ana etki faktörleri analizi ve etkileşim analizini içerir. Etkileyen ana faktör analizi, hangi tasarım değişkeni değişikliklerinin hedef değişken üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu belirlemek için kullanılır, böylece hangilerinin önemli tasarım değişkenleri olduğunu belirtir. Faktörler arasındaki etkileşim daha sonra faktörlerin seviyesini belirlemek ve tasarım değişkenleri arasındaki bağlantı derecesini azaltmak için analiz edilir. Bir tasarım faktörü yüksek veya düşük olduğunda diğer faktörlerin değişim derecesini karşılaştırın. Bağımsız aksiyoma göre, optimum tasarım birbirine bağlı değildir, bu nedenle daha az değişken olan seviyeyi seçin.

Bu yazıda kaynak kornasının analiz sonuçları şunlardır: önemli tasarım parametreleri, kornanın dış ark yarıçapı ve yarık genişliğidir. Her iki parametrenin seviyesi de "yüksek" dir, yani yarıçap DOE'de daha büyük bir değer alır ve oluk genişliği de daha büyük bir değer alır. Önemli parametreler ve değerleri belirlendi ve daha sonra, korna frekansını kaynak makinesinin çalışma frekansına uyacak şekilde ayarlamak için ANSYS'deki tasarımı optimize etmek için birkaç başka parametre kullanıldı. Optimizasyon süreci aşağıdaki gibidir.

3.3 Hedef parametre optimizasyonu (korna frekansı)

Tasarım optimizasyonunun parametre ayarları, DOE'ninkilere benzer. Aradaki fark, iki önemli parametrenin değerlerinin belirlenmiş olması ve diğer üç parametrenin gürültü olarak kabul edilen ve optimize edilemeyen malzeme özellikleri ile ilgili olmasıdır. Ayarlanabilecek kalan üç parametre, yuvanın eksenel konumu, uzunluğu ve boynuz genişliğidir. Optimizasyon, mühendislik problemlerinde yaygın olarak kullanılan bir yöntem olan ANSYS'de alt problem yaklaştırma yöntemini kullanır ve spesifik süreç atlanır.

Hedef değişken olarak frekansı kullanmanın kullanımda biraz beceri gerektirdiğini belirtmek gerekir. Birçok tasarım parametresi ve geniş bir varyasyon aralığı olduğu için, kornanın titreşim modları ilgili frekans aralığında çoktur. Modal analizin sonucu doğrudan kullanılırsa, birinci dereceden eksenel kipi bulmak zordur, çünkü parametreler değiştiğinde, yani orijinal kipe karşılık gelen doğal frekans sıralı değiştiğinde kip sıralı serpiştirme meydana gelebilir. Bu nedenle, bu makale önce modal analizi benimser ve ardından frekans yanıt eğrisini elde etmek için modal süperpozisyon yöntemini kullanır. Frekans yanıt eğrisinin tepe değerini bularak, karşılık gelen mod frekansını sağlayabilir. Bu, otomatik optimizasyon sürecinde çok önemlidir ve modaliteyi manuel olarak belirleme ihtiyacını ortadan kaldırır.

Optimizasyon tamamlandıktan sonra kornanın tasarım çalışma frekansı hedef frekansa çok yakın olabilir ve hata optimizasyonda belirtilen tolerans değerinden azdır. Bu noktada temel olarak korna tasarımı belirlenir ve ardından üretim tasarımı için imalat toleransları belirlenir.

20200117113652_29938

3.4 Tolerans tasarımı

Genel yapısal tasarım, tüm tasarım parametreleri belirlendikten sonra tamamlanır, ancak mühendislik problemleri için, özellikle seri üretim maliyeti göz önüne alındığında, tolerans tasarımı esastır. Düşük kesinliğin maliyeti de azalır, ancak tasarım ölçütlerini karşılama yeteneği, nicel hesaplamalar için istatistiksel hesaplamalar gerektirir. ANSYS'deki PDS Olasılık Tasarım Sistemi, tasarım parametresi toleransı ile hedef parametre toleransı arasındaki ilişkiyi daha iyi analiz edebilir ve ilgili eksiksiz rapor dosyaları oluşturabilir.

3.4.1 PDS parametre ayarları ve hesaplamaları

DFSS fikrine göre, önemli tasarım parametreleri üzerinde tolerans analizi yapılmalı ve diğer genel toleranslar ampirik olarak belirlenebilir. Bu makaledeki durum oldukça özeldir, çünkü işleme kabiliyetine göre, geometrik tasarım parametrelerinin üretim toleransı çok küçüktür ve son korna frekansı üzerinde çok az etkisi vardır; Hammaddelerin parametreleri tedarikçiler nedeniyle büyük ölçüde farklıyken ve hammaddelerin fiyatı boynuz işleme maliyetlerinin% 80'inden fazlasını oluşturuyor. Bu nedenle, malzeme özellikleri için makul bir tolerans aralığı ayarlamak gerekir. Buradaki ilgili malzeme özellikleri yoğunluk, esneklik modülü ve ses dalgası yayılma hızıdır.

Tolerans analizi, Latin Hypercube yöntemini örneklemek için ANSYS'de rastgele Monte Carlo simülasyonunu kullanır, çünkü örnekleme noktalarının dağılımını daha tekdüze ve makul hale getirebilir ve daha az nokta ile daha iyi korelasyon elde edebilir. Bu makale 30 noktayı belirtir. Üç malzeme parametresinin toleranslarının Gauss'a göre dağıtıldığını, başlangıçta bir üst ve alt sınır verildiğini ve ardından ANSYS'de hesaplandığını varsayalım.

3.4.2 PDS sonuçlarının analizi

PDS'nin hesaplanmasıyla 30 örnekleme noktasına karşılık gelen hedef değişken değerleri verilmektedir. Hedef değişkenlerin dağılımı bilinmemektedir. Parametreler Minitab yazılımı kullanılarak yeniden takılır ve frekans temelde normal dağılıma göre dağıtılır. Bu, tolerans analizinin istatistiksel teorisini sağlar.

PDS hesaplaması, tasarım değişkeninden hedef değişkenin tolerans genişlemesine uygun bir formül verir: burada y hedef değişken, x tasarım değişkeni, c korelasyon katsayısı ve i değişken sayıdır.

Buna göre, tolerans tasarımı görevini tamamlamak için her tasarım değişkenine hedef tolerans atanabilir.

3.5 Deneysel doğrulama

Ön kısım, tüm kaynak kornasının tasarım sürecidir. Tamamlandıktan sonra tasarımın izin verdiği malzeme toleranslarına göre hammaddeler satın alınarak imalata teslim edilir. İmalat tamamlandıktan sonra frekans ve mod testleri yapılır ve kullanılan test yöntemi, en basit ve en etkili keskin nişancı test yöntemidir. En çok ilgili indeks birinci dereceden eksenel mod frekansı olduğundan, ivme sensörü çalışma yüzeyine tutturulur ve diğer uç eksenel yön boyunca vurulur ve kornanın gerçek frekansı spektral analiz ile elde edilebilir. Tasarımın simülasyon sonucu 14925 Hz, test sonucu 14954 Hz, frekans çözünürlüğü 16 Hz ve maksimum hata% 1'den azdır. Modal hesaplamada sonlu eleman simülasyonunun doğruluğunun çok yüksek olduğu görülmektedir.

Deneysel testi geçtikten sonra korna ultrasonik kaynak makinesinde üretime ve montaja alınır. Reaksiyon durumu iyidir. Çalışma yarım yıldan fazla bir süredir istikrarlı ve kaynak yeterlilik oranı yüksek, bu da genel ekipman üreticisi tarafından vaat edilen üç aylık hizmet ömrünü aştı. Bu, tasarımın başarılı olduğunu ve üretim sürecinin tekrar tekrar değiştirilmediğini ve ayarlanmadığını, zamandan ve insan gücünden tasarruf ettiğini gösterir.

4. Sonuç

Bu makale ultrasonik plastik kaynak ilkesiyle başlar, kaynağın teknik odağını derinden kavrar ve yeni kornanın tasarım konseptini önerir. Ardından, tasarımı somut bir şekilde analiz etmek için sonlu elemanın güçlü simülasyon işlevini kullanın ve DFSS'nin 6 Sigma tasarım fikrini tanıtın ve sağlam tasarım elde etmek için ANSYS DOE deneysel tasarımı ve PDS tolerans analizi aracılığıyla önemli tasarım parametrelerini kontrol edin. Son olarak, korna bir kez başarıyla üretildi ve tasarım, deneysel frekans testi ve gerçek üretim doğrulamasına göre makul oldu. Aynı zamanda bu tasarım yöntemlerinin uygulanabilir ve etkili olduğunu da kanıtlıyor.


Gönderme zamanı: Kasım-04-2020