Come usare ottimizzazione di parametro di FEM ANSYS e progettazione di probabilità del corno della saldatura a ultrasuoni

Come usare ottimizzazione di parametro di FEM ANSYS e progettazione di probabilità del corno della saldatura a ultrasuoni

Prefazione

Con lo sviluppo della tecnologia ultrasonica, la sua applicazione è sempre più estesa, può essere usata per pulire le particelle di sporcizia minuscole e può anche essere usata per il metallo o la plastica di saldatura. Particolarmente in odierni prodotti di plastica, la saldatura a ultrasuoni principalmente è utilizzata, perché la struttura della vite è omessa, l'aspetto può essere più perfetta e la funzione dell'impermeabilizzazione e di dustproofing inoltre è svolta. La progettazione del corno di plastica della saldatura ha un impatto importante sulla qualità e sulla capacità di produzione finali della saldatura. Nella produzione di nuovi contatori elettrici, le onde ultrasoniche sono usate per fondere insieme i fronti superiori e più bassi. Tuttavia, durante l'uso, è trovato che alcuni corni sono installati sulla macchina e sono fenduti ed altri guasti si presentano in un breve periodo di tempo. Un certo corno della saldatura il tasso di difetto è alto. I vari errori hanno avuti un considerevole impatto su produzione. Secondo la comprensione, i fornitori dell'attrezzatura hanno capacità di progettazione limitata per il corno e con le riparazioni ripetute per raggiungere spesso gli indicatori di progettazione. Di conseguenza, è necessario da usare i nostri propri vantaggi tecnologici per mettere a punto il corno durevole e un metodo di progettazione ragionevole.

Principio di plastica ultrasonico della saldatura 2

La saldatura di plastica ultrasonica è un metodo di lavorazione che utilizza la combinazione di termoplastica nella vibrazione forzata ad alta frequenza e le superfici della saldatura sfregano faccia a faccia per produrre la fusione ad alta temperatura locale. Per raggiungere i buoni risultati della saldatura a ultrasuoni, le attrezzature, i materiali ed i parametri trattati sono richiesti. Ciò che segue è una breve introduzione al suo principio.

2,1 sistema di plastica ultrasonico della saldatura

Figura 1 è una vista schematica di un sistema della saldatura. L'energia elettrica è passata tramite il trasduttore e l'amplificatore di potenza per produrre un segnale elettrico alternante di frequenza ultrasonica (> 20 chilocicli) che si applica al trasduttore (ceramico piezoelettrico). Tramite il trasduttore, l'energia elettrica si trasforma nell'energia della vibrazione meccanica e l'ampiezza della vibrazione meccanica è regolata dal corno all'ampiezza di lavoro appropriata e poi uniformemente è trasmessa al materiale in contatto con tramite il corno. Le superfici di contatto dei due materiali di saldatura sono sottoposte alla vibrazione forzata ad alta frequenza ed il calore di attrito genera la fusione ad alta temperatura locale. Dopo il raffreddamento, i materiali si combinano per raggiungere la saldatura.

In un sistema della saldatura, la fonte del segnale è una parte del circuito che contiene un circuito dell'amplificatore di potenza di cui la stabilità di frequenza e la capacità di azionamento colpisce la prestazione della macchina. Il materiale è un termoplastico e la progettazione delle necessità della superficie unita di considerare come generare rapidamente il calore ed il bacino. I trasduttori, i corni ed i corni possono tutti essere considerati strutture meccaniche per l'analisi facile dell'accoppiamento delle loro vibrazioni. Nella saldatura di plastica, la vibrazione meccanica è trasmessa sotto forma di onde longitudinali. Come efficacemente trasferire l'energia e regolare l'ampiezza sono la questione principale di progettazione.

2.2horn

I servire del corno da interfaccia del contatto fra la macchina della saldatura a ultrasuoni ed il materiale. La sua funzione principale è di trasmettere la vibrazione meccanica longitudinale outputted uniformemente ed efficientemente dal variatore al materiale. Il materiale utilizzato è solitamente lega di alluminio di alta qualità o persino lega del titanio. Poiché la progettazione delle materie plastiche cambia molto, l'aspetto è molto differente ed il corno deve cambiare di conseguenza. La forma della superficie di lavoro dovrebbe essere abbinata bene con il materiale, per non danneggiare la plastica quando vibra; allo stesso tempo, la frequenza solida di vibrazione longitudinale di prim'ordine dovrebbe essere coordinata con la frequenza dell'uscita della saldatrice, altrimenti l'energia di vibrazione sarà consumata internamente. Quando il corno vibra, la concentrazione di sforzo locale accade. Come ottimizzare queste strutture locali è inoltre una considerazione di progettazione. Questo articolo esplora come applicare il corno di progettazione di ANSYS per ottimizzare i parametri progettuali e le tolleranze di fabbricazione.

progettazione di saldatura del corno 3

Come citato più presto, la progettazione del corno della saldatura è abbastanza importante. Ci sono molti fornitori ultrasonici dell'attrezzatura in Cina che producono i loro propri corni della saldatura, ma una considerevole parte di loro è imitazioni e poi costantemente stanno sistemando e provando. Con questo metodo ripetuto di adeguamento, la coordinazione di frequenza dell'attrezzatura e del corno è raggiunta. In questa carta, il metodo degli elementi finiti può essere usato per determinare la frequenza quando progetta il corno. Il risultato dei test del corno e l'errore di frequenza di progettazione sono soltanto 1%. Allo stesso tempo, questa carta introduce il concetto di DFSS (progettazione per sei sigmi) per ottimizzare e la progettazione robusta del corno. Il concetto di progettazione 6-Sigma è completamente di raccogliere la voce del cliente nel processo di progettazione per progettazione mirata a; e pre-considerazione delle deviazioni possibili nel processo di produzione per assicurarsi che la qualità del prodotto finito si distribuisca all'interno di un livello ragionevole. Il processo di progettazione è indicato nella figura 2. a partire dallo sviluppo degli indicatori di progettazione, la struttura e le dimensioni del corno inizialmente sono progettate secondo l'esperienza attuale. Il modello parametrico è stabilito in ANSYS e poi il modello è determinato con il metodo di progettazione di esperimento di simulazione (DAINA). I parametri importanti, secondo i requisiti robusti, determinano il valore e poi usano il metodo di problema secondario per ottimizzare altri parametri. Considerando l'influenza dei materiali e dei parametri ambientali durante la fabbricazione e l'uso del corno, inoltre è stato destinato con le tolleranze per soddisfare le richieste dei costi di produzione. Per concludere, la progettazione di fabbricazione, della prova e di teoria della prova ed errore reale, incontrare gli indicatori di progettazione che sono consegnati. La seguente introduzione dettagliata graduale.

3,1 progettazione geometrica di forma (che stabilisce un modello parametrico)

Progettando il corno della saldatura in primo luogo determina la sue forma e struttura geometriche approssimative e stabilisce un modello parametrico per l'analisi successiva. La figura 3 a) è la progettazione del corno della saldatura più comune, in cui una serie di scanalature a forma di U sono aperte in direzione della vibrazione su un materiale di approssimativamente cuboid. Le dimensioni globali sono le lunghezze delle direzioni di X, di Y e di Z e le dimensioni di laterale X e Y sono generalmente comparabili alla dimensione del pezzo in lavorazione che è saldato. La lunghezza della Z è uguale alla mezza lunghezza d'onda dell'onda ultrasonica, perché nella teoria classica di vibrazione, la frequenza assiale di prim'ordine dell'oggetto prolungato è determinata dalla sua lunghezza e la lunghezza a semi onda è abbinata esattamente con la frequenza d'onda acustica. Questa progettazione è stata estesa. L'uso, è utile alla diffusione delle onde sonore. Lo scopo della scanalatura a forma di U è di ridurre la perdita di vibrazione laterale del corno. La posizione, la dimensione ed il numero sono risoluti secondo la dimensione globale del corno. Può essere visto che in questa progettazione, ci sono meno parametri che possono essere regolati liberamente, in modo da abbiamo apportato i miglioramenti su questa base. La figura 3 b) è un corno recentemente progettato che ha un nuovo parametro di dimensione che la progettazione tradizionale: il raggio esterno R. dell'arco inoltre, la scanalatura è inciso sulla superficie di lavoro del corno per cooperare con la superficie del pezzo in lavorazione di plastica, che è utile da trasmettere l'energia di vibrazione e da proteggere il pezzo in lavorazione da danno. Questo modello è modellato ordinariamente parametricamente in ANSYS e poi nella progettazione sperimentale seguente.

3,2 progettazione sperimentale della DAINA (determinazione dei parametri importanti)

DFSS è creato per risolvere i problemi pratici di ingegneria. Non persegue la perfezione, ma è efficace e robusto. Comprende l'idea di 6-Sigma, cattura la contraddizione principale ed abbandona «99,97%", mentre richiede la progettazione di essere abbastanza resistente alla variabilità ambientale. Di conseguenza, prima della fabbricazione dell'ottimizzazione di parametro dell'obiettivo, dovrebbe essere schermato in primo luogo e la dimensione che ha un'influenza importante sulla struttura dovrebbe essere selezionata ed i loro valori dovrebbero essere risoluti secondo il principio della robustezza.

3.2.1 regolazione e DAINA di parametro della DAINA

I parametri progettuali sono la forma del corno e la posizione di dimensione della scanalatura a forma di U, ecc., complessivamente otto. Il parametro dell'obiettivo è la frequenza assiale di prim'ordine di vibrazione perché ha la più grande influenza sulla saldatura e lo sforzo concentrato massimo e la differenza nell'ampiezza della superficie di lavoro sono limitati come variabili di stato. Sulla base di esperienza, è presupposto che l'effetto dei parametri sui risultati sia lineare, in modo da ogni fattore è fissato soltanto a due livelli, alto ed al minimo. La lista dei parametri e dei nomi corrispondenti è come segue.

La DAINA è eseguita in ANSYS facendo uso del modello parametrico precedentemente stabilito. dovuto le limitazioni del software, DAINA di interamente fattore può usare soltanto fino a 7 parametri, mentre il modello ha 8 parametri e l'analisi di ANSYS dei risultati della DAINA non è completo quanto il software di sigma del professionista 6 e non può trattare l'interazione. Di conseguenza, usiamo APDL per scrivere un ciclo della DAINA per calcolare ed estrarre i risultati del programma e poi per immettere i dati in Minitab per l'analisi.

3.2.2 analisi dei risultati della DAINA

L'analisi della DAINA di Minitab è indicata nella figura 4 e comprende l'analisi fattoriale e l'analisi d'interazione d'influenza principali. L'analisi fattoriale d'influenza principale è usata per determinare quale cambiamenti variabili di progettazione hanno un maggior impatto sulla variabile di obiettivo, quindi indicando quale sono variabili importanti di progettazione. L'interazione fra i fattori poi è analizzata per determinare il livello dei fattori e per ridurre il grado di accoppiamento fra le variabili di progettazione. Confronti il grado di cambiamento di altri fattori quando un fattore di progetto è alto o basso. Secondo l'assioma indipendente, la progettazione ottimale non non coppia l'un l'altro, in modo da scelga il livello che è meno variabile.

I risultati dell'analisi del corno della saldatura in questa carta sono: i parametri progettuali importanti sono il raggio esterno dell'arco e la larghezza di scanalatura del corno. Il livello elevato di entrambi i parametri è «», cioè, il raggio prende un più grande valore nella DAINA e la larghezza di scanalatura inoltre prende un più grande valore. I parametri importanti ed i loro valori erano risoluti e poi parecchi altri parametri sono stati usati per ottimizzare la progettazione in ANSYS per regolare la frequenza del corno per abbinare la frequenza operativa della saldatrice. Il processo dell'ottimizzazione è come segue.

3,3 ottimizzazione di parametro dell'obiettivo (frequenza del corno)

Le regolazioni di parametro dell'ottimizzazione di progettazione sono simili a quelle della DAINA. La differenza è che i valori di due parametri importanti sono stati determinati e gli altri tre parametri sono collegati con le proprietà materiali, che sono considerare come rumore e non possono essere ottimizzate. I tre parametri rimanenti che possono essere regolati sono la posizione assiale della scanalatura, la lunghezza e la larghezza del corno. L'ottimizzazione utilizza il metodo dell'approssimazione di problema secondario in ANSYS, che è un metodo ampiamente usato nei problemi di ingegneria ed il processo specifico è omesso.

Vale la pena di notare quello facendo uso della frequenza mentre la variabile di obiettivo richiede una poca abilità in funzione. Poiché c'è molti parametri progettuali ed una vasta gamma di variazione, i modi di vibrazione del corno sono molti nella gamma di frequenza di interesse. Se il risultato dell'analisi modale direttamente è usato, è difficile da trovare il modo assiale di prim'ordine, perché l'interfogliatura modale di sequenza può accadere quando i parametri cambiano, cioè, la corrispondenza ordinale di frequenza naturale ai cambiamenti di modo originali. Di conseguenza, questa carta adotta l'analisi modale in primo luogo e poi usa il metodo modale di sovrapposizione per ottenere la curva di risposta in frequenza. Trovando il valore di picco della curva di risposta in frequenza, può assicurare la frequenza modale corrispondente. Ciò è molto importante nel processo dell'ottimizzazione automatica, eliminante la necessità di determinare manualmente la modalità.

Dopo che l'ottimizzazione è completata, la frequenza di progettazione del corno può essere molto vicina alla frequenza dell'obiettivo e l'errore è di meno che il valore di tolleranza specificato nell'ottimizzazione. A questo punto, la progettazione del corno è basicamente risoluta, seguito dalle tolleranze fabbricanti per progettazione di produzione.

3,4 progettazione di tolleranza

La progettazione strutturale generale è dopo tutto parametri progettuali completati è stata determinata, ma per l'organizzazione dei problemi, particolarmente quando considera il costo di fabbricazione in serie, la progettazione di tolleranza è essenziale. Il costo di precisione bassa inoltre è ridotto, ma la capacità di incontrare la metrica di progettazione richiede i calcoli statistici per i calcoli quantitativi. Il sistema di progettazione di probabilità di PDS in ANSYS può analizzare meglio la relazione fra tolleranza di parametro progettuale e tolleranza di parametro dell'obiettivo e può generare i file di report relativi completi.

3.4.1 regolazioni e calcoli di parametro di PDS

Secondo l'idea di DFSS, l'analisi di tolleranza dovrebbe essere eseguita sui parametri progettuali importanti ed altre tolleranze generali possono essere determinate empiricamente. La situazione in questa carta è abbastanza speciale, perché secondo l'abilità di lavorare, la tolleranza di fabbricazione dei parametri di progettazione geometrica è molto piccola ed ha scarso effetto sulla frequenza finale del corno; mentre i parametri delle materie prime sono notevolmente differente dovuto i fornitori ed il prezzo delle materie prime rappresenta più di 80% dei costi di elaborazione del corno. Di conseguenza, è necessario da mettere un campo di tolleranza ragionevole per le proprietà materiali. Le proprietà materiali pertinenti qui sono densità, modulo di elasticità e sensibilità di propagazione delle onde del suono.

L'analisi di tolleranza utilizza la simulazione casuale di Monte Carlo in ANSYS per provare il metodo latino di Hypercube perché può rendere alla distribuzione dei punti campionari più uniforme e ragionevole ed ottiene la migliore correlazione da meno punti. Questa carta mette 30 punti. Supponga che le tolleranze dei tre parametri materiali si distribuiscono secondo gauss, inizialmente dato una tomaia e un limite inferiore ed allora calcolato in ANSYS.

3.4.2 analisi dei risultati di PDS

Con il calcolo di PDS, i valori variabili dell'obiettivo che corrispondono a 30 punti campionari sono dati. La distribuzione delle variabili di obiettivo è sconosciuta. I parametri misura ancora facendo uso del software di Minitab e la frequenza si distribuisce basicamente secondo il di distribuzione normale. Ciò assicura la teoria statistica dell'analisi di tolleranza.

Il calcolo di PDS dà una formula adatta dalla variabile di progettazione all'espansione di tolleranza della variabile di obiettivo: dove y è la variabile di obiettivo, la x è la variabile di progettazione, la c è il coefficiente di correlazione e la i è il numero variabile.

Secondo questo, la tolleranza dell'obiettivo può essere assegnata ad ogni variabile di progettazione per completare il compito di progettazione di tolleranza.

3,5 verifica sperimentale

La parte anteriore è il processo di progettazione di intero corno della saldatura. Dopo il completamento, le materie prime sono acquistate secondo le tolleranze materiali permesse dalla progettazione ed allora consegnate alla fabbricazione. La frequenza e la prova modale sono eseguite dopo che fabbricare è completata ed il metodo di prova usato è il metodo di prova del tiratore franco più semplice e più efficace. Poiché l'indice più interessato è la frequenza modale assiale di prim'ordine, il sensore di accelerazione è attaccato alla superficie di lavoro e l'altra estremità è colpita lungo la direzione assiale e la frequenza reale del corno può essere ottenuta dall'analisi spettrale. Il risultato di simulazione della progettazione è di 14925 hertz, il risultato dei test è di 14954 hertz, la risoluzione di frequenza è di 16 hertz e l'errore massimo è meno di 1%. Può essere visto che l'accuratezza della simulazione limitata dell'elemento nel calcolo modale è molto alta.

Dopo avere superato la prova sperimentale, il corno è messo in produzione e nell'assemblea sulla macchina della saldatura a ultrasuoni. Lo stato della reazione è buono. Il lavoro è stato stabile per l'anno più mezzo ed il tasso di qualificazione della saldatura è alto, che ha superato il tempo di impiego di tre mesi promesso dal produttore di macchinari generale. Ciò indica che la progettazione riesce ed il processo di fabbricazione non è stato modificato ripetutamente e regolato, tempo di risparmio e manodopera.

Conclusione 4

Questa carta comincia con il principio di saldatura di plastica ultrasonica, profondamente afferra il fuoco tecnico di saldatura e propone il concetto di progetto di nuovo corno. Poi usi la funzione potente di simulazione dell'elemento limitato per analizzare la progettazione concretamente ed introduca l'idea di progettazione 6-Sigma di DFSS e controlli i parametri progettuali importanti con l'analisi di progettazione sperimentale della DAINA di ANSYS e di tolleranza di PDS per raggiungere la progettazione robusta. Per concludere, il corno è stato fabbricato con successo una volta e la progettazione era ragionevole tramite la prova sperimentale di frequenza e la verifica di produzione reale. Inoltre prova che questo insieme dei metodi di progettazione è fattibile ed efficace.