Как использовать FEM ANSYS Оптимизация параметров и вероятностность ультразвукового сварочного рога

Как использовать FEM ANSYS Оптимизация параметров и вероятностность ультразвукового сварочного рога

Преступность

С развитием ультразвуковой технологии его применение более широко, его можно использовать для очистки крошечных частиц грязи, и он также может быть использован для сварочного металла или пластика. Особенно в современных пластических изделиях ультразвуковая сварка в основном используется, поскольку винтовая структура опущена, внешний вид может быть более совершенным, а также предоставляется функция гидроизоляции и пылепроизводства. Дизайн пластиковой сваркиhОрн имеет важное влияние на окончательное качество и производственные мощности сварки. При производстве новых электрических счетчиков ультразвуковые волны используются для предохранения верхних и нижних лиц вместе. Однако во время использования обнаружено, что некоторые рога установлены на машине и треснутые, а другие сбои возникают в течение короткого периода времени. Некоторый сварочный рог Коэффициент дефекта высока. Различные недостатки оказали значительное влияние на производство. Согласно пониманию, поставщики оборудования имеют ограниченные возможности дизайна для рога, а часто через повторный ремонт для достижения индикаторов дизайна. Следовательно, необходимо использовать наши собственные технологические преимущества для разработки долговечного рога и разумного метода дизайна.

2 Ультразвуковой пластиковый принцип сварки

Ультразвуковая пластиковая сварка представляет собой способ обработки, который использует комбинацию термопластов в высокочастотной принудительной вибрации, а сварочные поверхности направляются друг против друга, чтобы производить локальную высокотемпературный плавление. Для достижения хороших результатов ультразвуковой сварки необходимы оборудование, материалы и параметры процесса. Ниже приведено краткое введение в его принцип.

2.1 Ультразвуковая пластиковая система сварки

Рисунок 1 - схематический вид системы сварки. Электрическая энергия пропускается через генератор сигнала и усилитель мощности для получения переменного электрического сигнала ультразвуковой частоты (> 20 кГц), который применяется к преобразователю (пьезоэлектрическую керамику). Через преобразователь электрическая энергия становится энергией механической вибрации, а амплитуда механической вибрации регулируется рогом к соответствующей рабочей амплитуде, а затем равномерно передается на материал в контакте с ним через рог. Контактные поверхности двух сварочных материалов подвергаются высокочастотному принудительному вибрации, а тепловое теплоснабжение генерирует локальное высокотемпературное плавление. После охлаждения материалы объединяются для достижения сварки.

В системе сварки источник сигнала представляет собой цепную часть, которая содержит контур усилителя мощности, устойчивость частоты и возможности привода влияют на производительность машины. Материал является термопластом, а конструкция поверхности сустава должна учитывать, как быстро генерировать тепло и док. Преобразователи, рога и рога могут быть рассмотрены механические структуры для легкого анализа сцепления их вибраций. В пластической сварке механическая вибрация передается в виде продольных волн. Как эффективно передавать энергию и регулировать амплитуду - это основная точка дизайна.

2.2хорн

Рог служит контактным интерфейсом между ультразвуковой сварочной машиной и материалом. Его основная функция состоит в том, чтобы передавать продольную механическую вибрацию, выходящую вариатором равномерно и эффективно к материалу. Используемый материал обычно является высококачественным алюминиевым сплавом или даже титановым сплавом. Поскольку дизайн пластиковых материалов много изменяется, внешний вид сильно отличается, а рог должен соответственно меняться. Форма рабочей поверхности должна быть хорошо подобрана с материалом, чтобы не повредить пластик при вибрировании; В то же время продольная продольная вибрация первого порядка должна быть скоординирована с выходной частотой сварочной машины, в противном случае энергия вибрации будет потребляться внутри. Когда вибрирует рог, происходит локальная концентрация напряжения. Как оптимизировать эти местные структуры также является рассмотрением дизайна. Эта статья исследует, как применить Ansys Design Horn для оптимизации параметров дизайна и допуски производства.

3 Дизайн сварочного рога

Как упоминалось ранее, дизайн сварочного рога довольно важен. В Китае много поставщиков ультразвукового оборудования, которые производят свои собственные сварочные рожки, но значительная часть их подражания, а затем они постоянно обрезаются и тестируют. Благодаря этому повторному методу регулировки достигается координация частоты рога и оборудования. В этой статье метод конечного элемента может быть использован для определения частоты при разработке рога. Результат теста на рога и ошибка частоты дизайна составляет всего 1%. В то же время эта статья вводит концепцию DFSS (дизайн для шести сигмы) для оптимизации и прочной конструкции рога. Концепция конструкции 6-SIGMA должна полностью сошить голос клиента в процессе проектирования для целевого дизайна; и предварительное рассмотрение возможных отклонений в процессе производства для обеспечения того, чтобы качество конечного продукта распределяется в разумном уровне. Процесс проектирования показан на рисунке 2. Начиная с разработки индикаторов конструкции, структура и размеры рога первоначально разработаны в соответствии с существующим опытом. Параметрическая модель устанавливается в Ansys, а затем модель определяется методом дизайна эксперимента моделирования (DOE). Важные параметры, в соответствии с надежными требованиями, определите значение, а затем используйте метод подпроставления для оптимизации других параметров. Учитывая влияние материалов и параметров окружающей среды при изготовлении и использовании рога, он также был разработан с допуском для удовлетворения требований производственных затрат. Наконец, производство, тестовое и теория тестирования дизайна и фактическая ошибка, чтобы соответствовать показателям конструкции. Следующее пошаговое детальное представление.

3.1 Дизайн геометрической формы (создание параметрической модели)

Проектирование сварочного рожка сначала определяет его приближенную геометрическую форму и структуру и устанавливает параметрическую модель для последующего анализа. Рисунок 3 а) - это конструкция наиболее распространенного сварочного рога, в котором ряд U-образных канавок открываются в направлении вибрации на материале приблизительно кубоида. Общие размеры представляют собой длины направлений X, Y и Z, а боковые размеры X и Y, как правило, сопоставимы с размером сварной заготовки. Длина z равна половине длины волны ультразвуковой волны, поскольку в классической теории вибрации осевая частота удлиненного объекта первого порядка удлиненного объекта определяется его длиной, а длина полуволны точно соответствует акустической Частота волны. Этот дизайн был расширен. Использование, полезно для распространения звуковых волн. Цель U-образного канавки состоит в том, чтобы уменьшить потерю боковой вибрации рога. Положение, размер и номер определяются в соответствии с общим количеством рога. Видно, что в этом дизайне есть меньше параметров, которые могут быть свободно регулироваться, поэтому мы сделали улучшения на этой основе. Рисунок 3 b) - это недавно разработанный рог, который имеет еще один параметр размера, чем традиционный дизайн: внешняя дуговая радиус R. Кроме того, канавка выгравирована на рабочей поверхности рога к сотрудничеству с поверхностью пластиковой заготовки, который выгоден для передачи энергии вибрации и защитить заготовку от повреждений. Эта модель регулярно моделирована в Ansys, а затем следующий экспериментальный дизайн.

3.2 DOE Экспериментальный дизайн (определение важных параметров)

DFSS создан для решения практических инженерных проблем. Он не преследует совершенство, но является эффективным и надежным. Он воплощает в себя идею 6-Sigma, захватывает основное противоречие, а также отказывается от \"99,97% \", в то время как требует конструкции быть достаточно устойчивым к изменчивости окружающей среды. Следовательно, перед тем, как сделать целевую оптимизацию параметров, ее следует сначала проверять, и размер, который имеет важное влияние на структуру, следует выбрать, и их значения должны быть определены в соответствии с принципом устойчивости.

3.2.1 Настройка параметров DOE и DOE

Параметры дизайна являются формой рога и положение размера U-образного канавки и т. Д., Всего в общей сложности. Целевой параметр - это осевая вероятность вибрации первой очереди, поскольку она обладает наибольшим влиянием на сварку, а максимальное концентрированное напряжение и разница в амплитуде рабочей поверхности ограничены как переменные состояния. На основании опыта предполагается, что эффект параметров на результаты является линейным, поэтому каждый фактор устанавливается только на два уровня, высокие и низкие. Список параметров и соответствующих имен следующим образом.

DOE выполняется в Ansys, используя ранее установленную параметрическую модель. Из-за ограничений по программному обеспечению полнофакторные DOE могут использовать до 7 параметров, в то время как модель имеет 8 параметров, а анализ Ansys результатов DOE не является всеобъемлющим в качестве профессионального программного обеспечения 6-Sigma и не может обрабатывать взаимодействие. Следовательно, мы используем APDL для записи петли DOE для расчета и извлечения результатов программы, а затем поместите данные в Minitab для анализа.

3.2.2 Анализ результатов DOE

Анализ DOE Minitab показан на рисунке 4 и включает в себя основные влияющие факторы анализа и анализ взаимодействия. Основным анализом факторов влияющих на влияние на определение того, какие изменения различных изменений оформления оказывают большее влияние на целевую переменную, что указывает, что являются важными переменными дизайна. Затем взаимодействие между факторами затем проанализировано для определения уровня факторов и снижения степени муфты между переменными конструкции. Сравните степень изменения других факторов, когда фактор дизайна высок или низкий. Согласно независимой аксиоме, оптимальный дизайн не связан друг с другом, поэтому выберите уровень, который менее переменная.

Результаты анализа сварочного рога в этой статье являются: важные параметры дизайна являются внешнему радиусом дуги и ширина слота рога. Уровень обоих параметров \"High \", то есть радиус принимает большее значение в DOE, а ширина канавки также требует большего значения. Важные параметры и их значения были определены, а затем несколько других параметров использовались для оптимизации конструкции в Ansys для регулировки частоты рога для соответствия рабочей частоте сварочной машины. Процесс оптимизации выглядит следующим образом.

3.3 Целевая оптимизация параметров (частота рога)

Настройки параметров оптимизации дизайна аналогичны теми из DOE. Разница состоит в том, что значения двух важных параметров были определены, а остальные три параметра связаны с свойствами материала, которые рассматриваются как шум и не могут быть оптимизированы. Оставшиеся три параметра, которые можно регулировать, - это осевое положение слота, длина и ширина рожка. Оптимизация использует метод приближения подгрублема в Ansys, который является широко используемым методом в области инженерных задач, а конкретный процесс опущен.

Стоит отметить, что использование частоты, так как целевая переменная требует небольшого навыка в эксплуатации. Поскольку существует множество параметров дизайна и широкий спектр вариаций, моды вибрации рога многие в частотном диапазоне интереса. Если результат модального анализа напрямую используется, трудно найти осевой режим первого порядка, поскольку модальная чередование последовательности может возникнуть, когда параметры меняются, то есть природоордохов натуральной частоты, соответствующий исходному режиму изменения. Следовательно, эта статья сначала принимает модальный анализ, а затем использует способ модальной поверхности для получения кривой отклика частоты. Находящее пиковое значение кривой отклика частоты, она может обеспечить соответствующую модальную частоту. Это очень важно в процессе автоматического оптимизации, устраняя необходимость вручную определить модальность.

После завершения оптимизации рабочая частота конструкции рога может быть очень близкой к целевой частоте, и ошибка меньше, чем значение допуска, указанное в оптимизации. На данный момент дизайн рогов в основном определяется, а затем производственные допуски для производства.

3.4 Дизайн толерантности

Общий структурный дизайн завершен после определения всех параметров дизайна, но для инженерных проблем, особенно при рассмотрении стоимости массового производства, дизайн толерантности имеет важное значение. Стоимость низкой точности также уменьшается, но способность соответствовать метрикам дизайна требует статистических расчетов для количественных расчетов. Система дизайна вероятностей PDS в ANSYS может лучше проанализировать взаимосвязь между толерантностью параметра дизайна и толерантностью параметров целевого параметра и может генерировать полные файлы соответствующих отчетов.

3.4.1 Настройки параметров PDS PDS и расчеты

Согласно идее DFSS, анализ толерантности должен проводиться на важных параметрах дизайна, а другие общие допуски могут быть определены эмпирически. Ситуация в этой статье совершенно особенная, поскольку в соответствии с способностью обрабатывать обработка, изготовление толерантности геометрических структурных параметров очень мало, и мало влияет на последнюю частоту рога; Хотя параметры сырья значительно отличаются из-за поставщиков, а цена на сырье составляет более 80% затрат на обработку рогов. Следовательно, необходимо установить разумный диапазон допуска для свойств материала. Соответствующие материальные свойства здесь являются плотность, модуль упругости и скорость пропаганды звуковых волн.

Анализ допусков использует случайное моделирование Monte Carlo в Ansys для образца метода Latin HyperCube, поскольку он может сделать распределение точек выборки более равномерным и разумным и получать лучшую корреляцию более чем менее точки. Эта бумага устанавливает 30 баллов. Предположим, что допуски трех материальных параметров распределены в соответствии с Gauss, изначально сдали верхний и нижний предел, а затем рассчитанный в Ansys.

3.4.2 Анализ результатов PDS

При расчете PDS приведены целевые значения переменной, соответствующие 30 точкам отбора проб. Распределение целевых переменных неизвестно. Параметры снова оснащены использованием программного обеспечения Minitab, а частота в основном распространяется в соответствии с нормальным распределением. Это обеспечивает статистическую теорию толерантности анализа.

Расчет PDS дает примерную формулу из переменной конструкции к расширению толерантности целевой переменной: где Y - целевая переменная, X - это переменная конструкции, C является коэффициентом корреляции, и я является изменяемым числом.

Согласно этому, целевая толерантность может быть назначена каждой переменной конструкции для завершения задачи конструкции толерантности.

3.5 экспериментальная проверка

Передняя часть - это проектный процесс всего сварочного рога. После завершения сырье приобретаются в соответствии с допусками материала, разрешенные дизайном, а затем доставляются на производство. Частота и модальное тестирование выполняются после завершения производства, и используемый метод испытаний является самым простым и наиболее эффективным методом испытания снайпера. Поскольку наиболее обеспокоенный индекс является осевой модальной модальной частотой первой очереди, датчик ускорения прикреплен к рабочей поверхности, а другой конец поражен вдоль осевого направления, а фактическая частота рога может быть получена спектральным анализом. Результат моделирования конструкции составляет 14925 Гц, результат теста составляет 14954 Гц, разрешение частоты составляет 16 Гц, а максимальная ошибка составляет менее 1%. Видно, что точность моделирования конечного элемента в модальном расчете очень высок.

После прохождения экспериментального теста рог введен в производство и сборку на ультразвуковой сварочной машине. Состояние реакции хорошее. Работа была стабильной более чем полгода, и уровень квалификации сварки высока, которая превысила трехмесячный срок службы, обещанный общем производителем оборудования. Это показывает, что дизайн успешен, и процесс изготовления не был неоднократно изменен и скорректирован, экономит время и рабочую силу.

4. Вывод

Этот документ начинается с принципа ультразвуковой пластиковой сварки, глубоко захватываю техническую направленность сварки и предлагает дизайн концепции нового рога. Затем используйте мощную функцию моделирования конечного элемента, чтобы анализировать дизайн конкретно, и ввести идею дизайна DFS 6-Sigma DFSS и контролировать важные параметры конструкции через Ansys Doe Experimental Design и PDS Analyerance для достижения прочной конструкции. Наконец, рог был успешно изготовлен один раз, и дизайн был разумным экспериментальным испытанием частоты и фактической проверки производства. Это также доказывает, что этот набор методов проектирования возможен и эффективен.