Lajme

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Parathënie

Me zhvillimin e teknologjisë tejzanor, aplikimi i tij është gjithnjë e më i gjerë, mund të përdoret për të pastruar grimcat e imëta të papastërtisë, dhe gjithashtu mund të përdoret për saldimin e metaleve ose plastikës. Sidomos në produktet e sotme plastike, saldimi tejzanor përdoret më së shumti, sepse struktura e vidës është hequr, pamja mund të jetë më e përsosur, dhe funksioni i hidroizolimit dhe izolimit të pluhurit gjithashtu sigurohet. Projektimi i bririt të saldimit plastik ka një ndikim të rëndësishëm në cilësinë përfundimtare të saldimit dhe kapacitetin e prodhimit. Në prodhimin e njehsorëve të rinj elektrikë, valët tejzanor përdoren për të bashkuar fytyrat e sipërme dhe të poshtme së bashku. Sidoqoftë, gjatë përdorimit, zbulohet se disa brirë janë instaluar në makinë dhe janë plasaritur dhe dështime të tjera ndodhin në një periudhë të shkurtër kohe. Disa brirë saldimi Shkalla e defektit është e lartë. Gabime të ndryshme kanë pasur një ndikim të konsiderueshëm në prodhim. Sipas të kuptuarit, furnizuesit e pajisjeve kanë aftësi të kufizuara të dizajnit për brirë, dhe shpesh përmes riparimeve të përsëritura për të arritur treguesit e dizajnit. Prandaj, është e nevojshme të përdorim avantazhet tona teknologjike për të zhvilluar një brirë të qëndrueshme dhe një metodë të arsyeshme të dizajnit.

2 Parimi i saldimit plastik tejzanor

Saldimi tejzanor plastik është një metodë e përpunimit që përdor kombinimin e termoplastikës në dridhjen e detyruar me frekuencë të lartë, dhe sipërfaqet e saldimit fërkohen me njëra-tjetrën për të prodhuar shkrirjen lokale me temperaturë të lartë. Në mënyrë që të arrihen rezultate të mira të saldimit tejzanor, kërkohen pajisje, materiale dhe parametra të procesit. Më poshtë është një hyrje e shkurtër e parimit të saj.

2.1 Sistemi i saldimit plastik tejzanor

Figura 1 është një pamje skematike e një sistemi saldimi. Energjia elektrike kalon përmes gjeneratorit të sinjalit dhe përforcuesit të energjisë për të prodhuar një sinjal elektrik alternativ të frekuencës tejzanor (> 20 kHz) që aplikohet në këmbyes (qeramikë piezoelektrike). Nëpërmjet këmbyesit, energjia elektrike bëhet energjia e dridhjeve mekanike, dhe amplituda e dridhjeve mekanike rregullohet nga briri në amplitudën e duhur të punës, dhe pastaj transmetohet në mënyrë uniforme në materialin në kontakt me të përmes bririt. Sipërfaqet e kontaktit të dy materialeve të saldimit i nënshtrohen dridhjes së detyruar me frekuencë të lartë dhe nxehtësia e fërkimit gjeneron shkrirjen lokale të temperaturës së lartë. Pas ftohjes, materialet kombinohen për të arritur saldimin.

Në një sistem saldimi, burimi i sinjalit është një pjesë e qarkut që përmban një qark të amplifikatorit të energjisë, qëndrueshmëria e frekuencës dhe aftësia e drejtimit të të cilit ndikojnë në performancën e makinës. Materiali është një termoplastik, dhe dizajni i sipërfaqes së bashkimit duhet të marrë në konsideratë se si të gjeneroni shpejt nxehtësinë dhe stacionin. Bartësit, brirët dhe brirët mund të konsiderohen të gjitha struktura mekanike për analizë të lehtë të bashkimit të dridhjeve të tyre. Në saldimin plastik, dridhja mekanike transmetohet në formën e valëve gjatësore. Si të transferohet në mënyrë efektive energjia dhe të rregullohet amplituda është pika kryesore e dizajnit.

2.2 brirë

Briri shërben si ndërfaqe kontakti midis makinës salduese tejzanor dhe materialit. Funksioni i tij kryesor është të transmetojë dridhjet mekanike gjatësore të nxjerra nga variatori në mënyrë të barabartë dhe efikase në material. Materiali i përdorur është zakonisht aliazh alumini me cilësi të lartë ose edhe aliazh titani. Për shkak se dizajni i materialeve plastike ndryshon shumë, pamja është shumë e ndryshme, dhe briri duhet të ndryshojë në përputhje me rrethanat. Forma e sipërfaqes së punës duhet të përputhet mirë me materialin, në mënyrë që të mos dëmtohet plastika kur dridhet; në të njëjtën kohë, frekuenca e ngurtë e dridhjeve gjatësore të rendit të parë duhet të koordinohet me frekuencën e daljes së makinës së saldimit, përndryshe energjia e dridhjes do të konsumohet brenda. Kur briri dridhet, ndodh përqendrimi lokal i stresit. Si të zgjedhim këto struktura lokale është gjithashtu një konsideratë e modelit. Ky artikull eksploron mënyrën e aplikimit të bririt të dizajnit ANSYS për të optimizuar parametrat e dizajnit dhe tolerancat e prodhimit.

3 dizajni i bririt të saldimit

Siç u përmend më herët, dizajni i bririt të saldimit është mjaft i rëndësishëm. Ka shumë furnitorë të pajisjeve tejzanor në Kinë që prodhojnë brirët e tyre të saldimit, por një pjesë e konsiderueshme e tyre janë imitime, dhe më pas ata vazhdimisht shkurtojnë dhe testojnë. Përmes kësaj metode të përsëritur rregullimi, arrihet koordinimi i bririt dhe frekuencës së pajisjeve. Në këtë punim, metoda e elementeve të fundme mund të përdoret për të përcaktuar frekuencën kur projektohet briri. Rezultati i provës së bririt dhe gabimi i frekuencës së dizajnit janë vetëm 1%. Në të njëjtën kohë, ky punim prezanton konceptin e DFSS (Design For Six Sigma) për të optimizuar dhe modeluar fuqishëm bririn. Koncepti i dizajnit 6-Sigma është që të mbledhë plotësisht zërin e konsumatorit në procesin e dizajnit për dizajnin e synuar; dhe shqyrtimi paraprak i devijimeve të mundshme në procesin e prodhimit për të siguruar që cilësia e produktit përfundimtar shpërndahet brenda një niveli të arsyeshëm. Procesi i dizajnit është paraqitur në Figurën 2. Duke filluar nga zhvillimi i treguesve të dizajnit, struktura dhe dimensionet e bririt fillimisht projektohen në përputhje me përvojën ekzistuese. Modeli parametrik është vendosur në ANSYS, dhe pastaj modeli përcaktohet nga metoda e modelit të eksperimentit të simulimit (DOE). Parametrat e rëndësishëm, sipas kërkesave të forta, përcaktojnë vlerën dhe më pas përdorin metodën e nën-problemit për të optimizuar parametrat e tjerë. Duke marrë parasysh ndikimin e materialeve dhe parametrave mjedisorë gjatë prodhimit dhe përdorimit të bririt, ai gjithashtu është dizajnuar me toleranca për të përmbushur kërkesat e kostove të prodhimit. Më në fund, prodhimi, testimi dhe testimi i teorisë së testit dhe gabimi aktual, për të përmbushur treguesit e dizajnit që janë dorëzuar. Hyrja e mëposhtme hap pas hapi e detajuar.

20200117113651_36685

3.1 Projektimi i formës gjeometrike (krijimi i një modeli parametrik)

Projektimi i bririt të saldimit së pari përcakton formën dhe strukturën e tij të përafërt gjeometrike dhe vendos një model parametrik për analizën pasuese. Figura 3 a) është modeli i bririt më të zakonshëm të saldimit, në të cilin hapen një numër brazdash në formë U në drejtim të dridhjes në një material afërsisht kuboid. Dimensionet e përgjithshme janë gjatësitë e drejtimeve X, Y dhe Z, dhe dimensionet anësore X dhe Y zakonisht janë të krahasueshme me madhësinë e copës së punës që ngjitet. Gjatësia e Z është e barabartë me gjysmën e gjatësisë së valës së valës tejzanor, sepse në teorinë klasike të dridhjeve, frekuenca boshtore e rendit të parë të objektit të zgjatur përcaktohet nga gjatësia e tij, dhe gjatësia e gjysmës së valës përputhet saktësisht me akustikën frekuenca e valës. Ky dizajn është zgjeruar. Përdorimi, është i dobishëm për përhapjen e valëve të zërit. Qëllimi i zakonit në formë U është të zvogëlojë humbjen e dridhjeve anësore të bririt. Pozicioni, madhësia dhe numri përcaktohen në përputhje me madhësinë e përgjithshme të bririt. Mund të shihet se në këtë model, ka më pak parametra që mund të rregullohen lirisht, kështu që ne kemi bërë përmirësime mbi këtë bazë. Figura 3 b) është një bri i sapo projektuar që ka një parametër më shumë madhësie sesa modeli tradicional: rrezja e harkut të jashtëm R. Për më tepër, brazda është gdhendur në sipërfaqen e punës së bri për të bashkëpunuar me sipërfaqen e copës plastike të punës, e cila është e dobishme për të transmetuar energjinë e dridhjeve dhe për të mbrojtur copën e punës nga dëmtimi. Ky model është modeluar në mënyrë rutinore në mënyrë parametrike në ANSYS, dhe pastaj modeli tjetër eksperimental.

3.2 DOE dizajni eksperimental (përcaktimi i parametrave të rëndësishëm)

DFSS është krijuar për të zgjidhur probleme praktike inxhinierike. Nuk ndjek përsosmërinë, por është efektiv dhe i fortë. Ajo mishëron idenë e 6-Sigma, kap kontradikta kryesore dhe braktis "99.97%", ndërsa kërkon që dizenjimi të jetë mjaft rezistent ndaj ndryshueshmërisë mjedisore. Prandaj, para se të bëhet optimizimi i parametrit të synuar, ai duhet të kontrollohet së pari, dhe duhet të zgjidhet madhësia që ka një ndikim të rëndësishëm në strukturë, dhe vlerat e tyre duhet të përcaktohen në përputhje me parimin e qëndrueshmërisë.

3.2.1 Vendosja e parametrit DOE dhe DOE

Parametrat e dizajnit janë forma e bririt dhe pozicioni i madhësisë së brazdës në formë U, etj., Gjithsej tetë. Parametri i synuar është frekuenca e dridhjeve aksiale të rendit të parë, sepse ajo ka ndikimin më të madh në saldim, dhe sforcimi maksimal i koncentruar dhe ndryshimi në amplituda e sipërfaqes së punës janë të kufizuara si variabla të gjendjes. Bazuar në përvojën, supozohet se efekti i parametrave në rezultate është linear, kështu që secili faktor vendoset vetëm në dy nivele, të lartë dhe të ulët. Lista e parametrave dhe emrave përkatës është si më poshtë.

DOE kryhet në ANSYS duke përdorur modelin parametrik të vendosur më parë. Për shkak të kufizimeve të softuerit, DOE me faktor të plotë mund të përdorë vetëm deri në 7 parametra, ndërsa modeli ka 8 parametra, dhe analiza e ANSYS e rezultateve të DOE nuk është aq gjithëpërfshirëse sa programi profesional 6-sigma dhe nuk mund të trajtojë bashkëveprimin. Prandaj, ne përdorim APDL për të shkruar një lak DOE për të llogaritur dhe nxjerrë rezultatet e programit, dhe pastaj vendosim të dhënat në Minitab për analizë.

3.2.2 Analiza e rezultateve të DOE

Analiza e DOE e Minitab është treguar në Figurën 4 dhe përfshin analizën kryesore të faktorëve ndikues dhe analizën e ndërveprimit. Analiza kryesore e faktorit ndikues përdoret për të përcaktuar se cilat ndryshime të ndryshoreve të dizajnit kanë një ndikim më të madh në ndryshoren e synuar, duke treguar se cilat janë variablat e rëndësishëm të dizajnit. Ndërveprimi midis faktorëve analizohet më pas për të përcaktuar nivelin e faktorëve dhe për të zvogëluar shkallën e bashkimit midis variablave të dizajnit. Krahasoni shkallën e ndryshimit të faktorëve të tjerë kur një faktor i dizajnit është i lartë ose i ulët. Sipas aksiomës së pavarur, dizajni optimal nuk është i bashkuar me njëri-tjetrin, prandaj zgjidhni nivelin që është më pak i ndryshueshëm.

Rezultatet e analizës së bririt të saldimit në këtë punim janë: parametrat e rëndësishëm të dizajnit janë rrezja e harkut të jashtëm dhe gjerësia e folesë së bririt. Niveli i të dy parametrave është "i lartë", domethënë rrezja merr një vlerë më të madhe në DOE, dhe gjerësia e brazdës gjithashtu merr një vlerë më të madhe. Përcaktuan parametrat e rëndësishëm dhe vlerat e tyre, dhe më pas u përdorën disa parametra të tjerë për të optimizuar projektin në ANSYS për të rregulluar frekuencën e bririt për të përputhur frekuencën e funksionimit të makinës së saldimit. Procesi i optimizimit është si më poshtë.

3.3 Optimizimi i parametrit të synuar (frekuenca e bririt)

Cilësimet e parametrave të optimizimit të dizajnit janë të ngjashme me ato të DOE. Dallimi është se vlerat e dy parametrave të rëndësishëm janë përcaktuar, dhe tre parametrat e tjerë lidhen me vetitë e materialit, të cilat konsiderohen si zhurmë dhe nuk mund të optimizohen. Tre parametrat e mbetur që mund të rregullohen janë pozicioni aksial i folesë, gjatësia dhe gjerësia e bririt. Optimizimi përdor metodën e përafrimit të nënproblemit në ANSYS, e cila është një metodë e përdorur gjerësisht në problemet e inxhinierisë, dhe procesi specifik është anashkaluar.

Vlen të përmendet se përdorimi i frekuencës si ndryshore e synuar kërkon pak aftësi në punë. Për shkak se ka shumë parametra të dizajnit dhe një gamë të gjerë ndryshimesh, mënyrat e dridhjeve të bririt janë shumë në intervalin e frekuencës me interes. Nëse rezultati i analizës modale përdoret drejtpërdrejt, është e vështirë të gjesh mënyrën boshtore të rendit të parë, sepse ndërthurja e sekuencës modale mund të ndodhë kur ndryshojnë parametrat, domethënë ndryshon rendorja e frekuencës natyrore që korrespondon me mënyrën origjinale. Prandaj, ky punim miraton së pari analizën modale, dhe më pas përdor metodën e superpozimit modal për të marrë kurbën e përgjigjes së frekuencës. Duke gjetur vlerën kulmore të kurbës së përgjigjes së frekuencës, ajo mund të sigurojë frekuencën përkatëse modale. Kjo është shumë e rëndësishme në procesin e optimizimit automatik, duke eliminuar nevojën për të përcaktuar manualisht modalitetin.

Pas përfundimit të optimizimit, frekuenca e punës së dizajnit të bririt mund të jetë shumë afër frekuencës së synuar, dhe gabimi është më i vogël se vlera e tolerancës e specifikuar në optimizim. Në këtë pikë, dizajni i bririt përcaktohet në thelb, i ndjekur nga tolerancat e prodhimit për modelin e prodhimit.

20200117113652_29938

3.4 Dizajni i tolerancës

Projektimi i përgjithshëm strukturor përfundon pasi të jenë përcaktuar të gjithë parametrat e projektimit, por për problemet inxhinierike, veçanërisht kur merret parasysh kostoja e prodhimit në masë, dizajni i tolerancës është thelbësor. Kostoja e saktësisë së ulët gjithashtu zvogëlohet, por aftësia për të përmbushur metrikat e dizajnit kërkon llogaritjet statistikore për llogaritjet sasiore. Sistemi i Projektimit të Probabilitetit PDS në ANSYS mund të analizojë më mirë lidhjen midis tolerancës së parametrit të dizajnit dhe tolerancës së parametrit të synuar dhe mund të gjenerojë skedarë të plotë të raportit të lidhur.

3.4.1 Cilësimet dhe llogaritjet e parametrave PDS

Sipas idesë së DFSS, analiza e tolerancës duhet të kryhet në parametra të rëndësishëm të dizajnit, dhe tolerancat e tjera të përgjithshme mund të përcaktohen në mënyrë empirike. Situata në këtë letër është mjaft e veçantë, sepse sipas aftësisë së përpunimit, toleranca e prodhimit të parametrave të dizajnit gjeometrik është shumë e vogël dhe ka pak efekt në frekuencën përfundimtare të bririt; ndërsa parametrat e lëndëve të para janë shumë të ndryshme për shkak të furnitorëve dhe çmimi i lëndëve të para përbën Më shumë se 80% të kostove të përpunimit të brirëve. Prandaj, është e nevojshme të vendosni një gamë të arsyeshme të tolerancës për vetitë e materialit. Karakteristikat përkatëse të materialit këtu janë dendësia, moduli i elasticitetit dhe shpejtësia e përhapjes së valës së zërit.

Analiza e tolerancës përdor simulimin e rastësishëm të Monte Carlo në ANSYS për të provuar metodën Latin Hypercube sepse mund të bëjë shpërndarjen e pikave të marrjes së mostrave më uniforme dhe të arsyeshme, dhe të marrë korrelacion më të mirë me më pak pikë. Ky punim përcakton 30 pikë. Supozojmë se tolerancat e tre parametrave materialë shpërndahen sipas Gausit, fillimisht jepet një kufi i sipërm dhe i poshtëm, dhe pastaj llogaritet në ANSYS.

3.4.2 Analiza e rezultateve të PDS

Përmes llogaritjes së PDS, jepen vlerat e variablës së synuar që korrespondojnë me 30 pikë kampionimi. Shpërndarja e variablave të synuar është e panjohur. Parametrat përshtaten përsëri duke përdorur programin Minitab dhe frekuenca shpërndahet në bazë të shpërndarjes normale. Kjo siguron teorinë statistikore të analizës së tolerancës.

Llogaritja e PDS jep një formulë të përshtatshme nga ndryshorja e dizajnit në zgjerimin e tolerancës së ndryshores së synuar: ku y është ndryshorja e synuar, x është ndryshorja e modelit, c është koeficienti i korrelacionit dhe i është numri i ndryshueshëm.

Sipas kësaj, toleranca e synuar mund t'i caktohet secilës variabël të dizajnit për të përfunduar detyrën e hartimit të tolerancës.

3.5 Verifikimi eksperimental

Pjesa e përparme është procesi i dizajnimit të të gjithë bririt të saldimit. Pas përfundimit, lëndët e para blihen në përputhje me tolerancën e materialit të lejuar nga modeli, dhe më pas dorëzohen në prodhim. Testimi i frekuencës dhe modalitetit kryhen pasi të ketë përfunduar prodhimi, dhe metoda e provës së përdorur është metoda më e thjeshtë dhe më efektive e provës së snajperit. Për shkak se indeksi më i interesuar është frekuenca modale boshtore e rendit të parë, sensori i nxitimit është i bashkangjitur në sipërfaqen e punës dhe skaji tjetër goditet përgjatë drejtimit aksial dhe frekuenca aktuale e bririt mund të merret me anë të analizës spektrale. Rezultati i simulimit të dizajnit është 14925 Hz, rezultati i provës është 14954 Hz, rezolucioni i frekuencës është 16 Hz dhe gabimi maksimal është më pak se 1%. Mund të shihet se saktësia e simulimit të elementit të fundëm në llogaritjen modale është shumë e lartë.

Pas kalimit të provës eksperimentale, briri vihet në prodhim dhe montim në makinën e saldimit tejzanor. Gjendja e reagimit është e mirë. Puna ka qenë e qëndrueshme për më shumë se gjysmë viti, dhe shkalla e kualifikimit të saldimit është e lartë, e cila ka tejkaluar jetën e shërbimit tre-mujore të premtuar nga prodhuesi i pajisjeve të përgjithshme. Kjo tregon se dizajni është i suksesshëm dhe procesi i prodhimit nuk është modifikuar dhe rregulluar në mënyrë të përsëritur, duke kursyer kohë dhe fuqi punëtore.

4 Përfundim

Ky punim fillon me parimin e saldimit plastik tejzanor, kap thellësisht fokusin teknik të saldimit dhe propozon konceptin e dizajnit të bririt të ri. Pastaj përdorni funksionin e fuqishëm të simulimit të elementit të fundëm për të analizuar konkretisht projektin, dhe prezantoni idenë e dizajnit 6-Sigma të DFSS, dhe kontrolloni parametrat e rëndësishëm të dizajnit përmes ANSYS DOE modelit eksperimental dhe analizës së tolerancës PDS për të arritur një model të fuqishëm. Më në fund, briri u prodhua me sukses një herë, dhe dizajni ishte i arsyeshëm nga testi eksperimental i frekuencës dhe verifikimi aktual i prodhimit. Ajo gjithashtu dëshmon se kjo grup metodash projektimi është e realizueshme dhe efektive.


Koha e postimit: nëntor-04-2020