xəbərlər

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Ön söz

Ultrasonik texnologiyanın inkişafı ilə tətbiqi getdikcə daha genişdir, kiçik kir hissəciklərini təmizləmək üçün istifadə edilə bilər və metal və ya plastik qaynaq üçün də istifadə edilə bilər. Xüsusilə günümüz plastik məhsullarında daha çox ultrasəs qaynağı istifadə olunur, çünki vida quruluşu buraxılmış, görünüşü daha mükəmməl ola bilər və su yalıtımı və toz keçirməməsi funksiyası da təmin edilmişdir. Plastik qaynaq buynuzunun dizaynı son qaynaq keyfiyyətinə və istehsal gücünə əhəmiyyətli təsir göstərir. Yeni elektrik sayğaclarının istehsalında ultrasəs dalğaları yuxarı və alt üzləri birləşdirmək üçün istifadə olunur. Bununla birlikdə, istifadə zamanı bəzi buynuzların dəzgahda quraşdırıldığı və çatladığı və digər nasazlıqların qısa müddətdə baş verdiyi məlum olur. Bəzi qaynaq buynuzu Qüsur dərəcəsi yüksəkdir. Müxtəlif nasazlıqlar istehsalata əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərmişdir. Anlayışa görə, avadanlıq təchizatçıları buynuz üçün məhdud dizayn imkanlarına malikdirlər və tez-tez dizayn göstəricilərinə nail olmaq üçün təkrar təmir işləri ilə. Buna görə davamlı buynuz və ağlabatan bir dizayn metodu inkişaf etdirmək üçün öz texnoloji üstünlüklərimizdən istifadə etmək lazımdır.

2 Ultrasonik plastik qaynaq prinsipi

Ultrasonik plastik qaynaq, yüksək tezlikli məcburi titrəmədə termoplastiklərin birləşməsindən istifadə edən bir işləmə üsuludur və qaynaq səthləri bir-birinə sürtərək yerli yüksək temperaturda ərimə əmələ gətirir. Yaxşı ultrasəs qaynaq nəticələrini əldə etmək üçün avadanlıq, material və proses parametrləri tələb olunur. Aşağıda onun prinsipinə qısa giriş verilir.

2.1 Ultrasonik plastik qaynaq sistemi

Şəkil 1 bir qaynaq sisteminin sxematik görünüşüdür. Elektrik enerjisi, çeviriciyə tətbiq olunan (piezoelektrik keramika) ultrasəs tezlikli (> 20 kHz) dəyişkən elektrik siqnalı yaratmaq üçün siqnal generatoru və güc gücləndiricisindən keçir. Transduser vasitəsilə elektrik enerjisi mexaniki titrəmənin enerjisinə çevrilir və mexaniki vibrasiyanın amplitudası buynuz tərəfindən müvafiq iş amplitüdünə düzəldilir və sonra buynuz vasitəsilə onunla təmasda olan materiala bərabər şəkildə ötürülür. İki qaynaq materialının təmas səthləri yüksək tezlikli məcburi titrəməyə məruz qalır və sürtünmə istiliyi yerli yüksək temperaturda ərimə yaradır. Soyuduqdan sonra materiallar qaynaq əldə etmək üçün birləşdirilir.

Bir qaynaq sistemində siqnal mənbəyi, tezlik sabitliyi və sürücülük qabiliyyəti maşının işinə təsir edən bir güc gücləndirici dövrəsi olan bir dövrə hissəsidir. Material bir termoplastikdir və birləşmə səthinin dizaynı istilik və yuvanın necə sürətli bir şəkildə yaradılacağını düşünməlidir. Transduserlər, buynuzlar və buynuzlar, vibrasiya birləşməsini asanlıqla təhlil etmək üçün hamısı mexaniki quruluş hesab edilə bilər. Plastik qaynaqda mexaniki vibrasiya uzununa dalğalar şəklində ötürülür. Enerjini necə effektiv şəkildə ötürmək və amplituda tənzimləmək dizaynın əsas nöqtəsidir.

2.2horn

Buynuz ultrasəs qaynaq aparatı ilə material arasında əlaqə interfeysi rolunu oynayır. Əsas funksiyası variatorun çıxardığı uzunlamasına mexaniki vibrasiyanı materiala bərabər və səmərəli ötürməkdir. İstifadə olunan material ümumiyyətlə yüksək keyfiyyətli alüminium ərintisi və ya hətta titan ərintisidir. Plastik materialların dizaynı çox dəyişdiyindən görünüşü çox fərqlidir və buynuz da buna görə dəyişməlidir. İşləyən səthin forması materialla yaxşı bir şəkildə uyğunlaşdırılmalıdır, belə ki titrəyəndə plastikə zərər verməyin; eyni zamanda, birinci dərəcəli uzununa titrəmə bərk tezliyi qaynaq maşınının çıxış tezliyi ilə əlaqələndirilməlidir, əks halda titrəmə enerjisi daxili olaraq istehlak ediləcəkdir. Buynuz titrədikdə lokal stres konsentrasiyası meydana gəlir. Bu yerli strukturların necə optimallaşdırılması da dizayn məsələsidir. Bu məqalədə dizayn parametrlərini və istehsal toleranslarını optimallaşdırmaq üçün ANSYS dizayn buynuzunun necə tətbiq ediləcəyi araşdırılır.

3 qaynaq buynuzu dizaynı

Daha əvvəl də qeyd edildiyi kimi, qaynaq buynuzunun dizaynı olduqca vacibdir. Çində öz qaynaq buynuzlarını istehsal edən bir çox ultrasəs avadanlığı tədarükçüləri var, lakin bunların əhəmiyyətli bir hissəsi təqlidlərdir və sonra daim düzəldilir və sınaqdan keçirilir. Bu təkrar tənzimləmə metodu ilə buynuz və avadanlıq tezliyinin koordinasiyası əldə edilir. Bu yazıda, buynuz dizayn edərkən tezliyi təyin etmək üçün sonlu element metodu istifadə edilə bilər. Buynuz testi nəticəsi və dizayn tezliyi xətası yalnız 1% -dir. Eyni zamanda, bu sənəd buynuz dizaynını optimallaşdırmaq və möhkəmləndirmək üçün DFSS (Design For Six Sigma) konsepsiyasını təqdim edir. 6-Sigma dizaynının konsepsiyası, hədəf dizayn üçün dizayn prosesində müştərinin səsini tam toplamaqdır; və son məhsulun keyfiyyətinin məqbul səviyyədə bölüşdürülməsini təmin etmək üçün istehsal prosesində mümkün sapmaların əvvəlcədən nəzərə alınması. Dizayn prosesi Şəkil 2-də göstərilmişdir. Dizayn göstəricilərinin inkişafından başlayaraq buynuzun quruluşu və ölçüləri əvvəllər mövcud təcrübəyə uyğun olaraq dizayn edilmişdir. Parametrik model ANSYS-də qurulur və sonra model simulyasiya təcrübəsi dizaynı (DOE) metodu ilə müəyyən edilir. Mühüm parametrlər, möhkəm tələblərə görə, dəyəri müəyyənləşdirir və sonra digər parametrləri optimallaşdırmaq üçün alt problem metodundan istifadə edir. Buynuzun istehsalı və istifadəsi zamanı materialların və ətraf mühit parametrlərinin təsiri nəzərə alınaraq, istehsal xərclərinin tələblərinə cavab vermək üçün toleranslarla dizayn edilmişdir. Nəhayət, istehsal, test və test nəzəriyyəsi dizaynı və həqiqi səhv, təslim edilən dizayn göstəricilərinə cavab vermək üçün. Aşağıdakı addım-addım ətraflı giriş.

20200117113651_36685

3.1 Həndəsi forma dizaynı (parametrik bir model qurmaq)

Qaynaq buynuzunun dizaynı əvvəlcə onun həndəsi formasını və quruluşunu təyin edir və sonrakı analizlər üçün parametrik bir model qurur. Şəkil 3 a) ən çox yayılmış qaynaq buynuzunun dizaynıdır, burada bir çox U şəkilli yivlər, təxminən kubik bir material üzərində titrəmə istiqamətində açılmışdır. Ümumi ölçülər X, Y və Z istiqamətlərinin uzunluqlarıdır və lateral ölçülər X və Y ümumiyyətlə qaynaqlanan iş parçasının ölçüsü ilə müqayisə olunur. Z uzunluğu ultrasəs dalğasının yarım dalğa uzunluğuna bərabərdir, çünki klassik titrəmə nəzəriyyəsində uzanan cismin birinci dərəcəli ox tezliyi onun uzunluğu ilə müəyyənləşdirilir və yarım dalğa uzunluğu akustik ilə tam uyğunlaşdırılır dalğa tezliyi. Bu dizayn genişləndirilmişdir. İstifadəsi, səs dalğalarının yayılması üçün faydalıdır. U şəkilli yivin məqsədi buynuzun yanal titrəməsinin itkisini azaltmaqdır. Vəziyyəti, ölçüsü və sayı buynuzun ümumi ölçüsünə görə müəyyən edilir. Bu dizaynda sərbəst şəkildə tənzimlənə bilən daha az parametr olduğu görüldüyü üçün bu əsasda inkişaflar etdik. Şəkil 3 b) ənənəvi dizayndan bir ölçü ölçüsü daha çox olan yeni dizayn edilmiş bir buynuzdur: xarici qövs radiusu R. Bundan əlavə, plastik iş parçasının səthi ilə işləmək üçün buynuzun işçi səthinə yiv həkk olunmuşdur, vibrasiya enerjisini ötürmək və iş parçasını zədələnmədən qorumaq üçün faydalıdır. Bu model rutin olaraq ANSYS-də parametrik olaraq modelləşdirilir və sonra növbəti eksperimental dizayn edilir.

3.2 DOE eksperimental dizaynı (vacib parametrlərin müəyyənləşdirilməsi)

DFSS praktik mühəndislik problemlərini həll etmək üçün yaradılmışdır. Mükəmməllik dalınca getmir, əksinə təsirli və möhkəmdir. 6-Sigma fikrini təcəssüm etdirir, əsas ziddiyyəti tutur və “99.97%” dən imtina edir, eyni zamanda dizaynın ətraf mühitin dəyişkənliyinə qarşı olduqca davamlı olmasını tələb edir. Buna görə hədəf parametr optimallaşdırmasından əvvəl əvvəlcə ekranlaşdırılmalı və quruluşa əhəmiyyətli təsir göstərən ölçü seçilməli və dəyərləri möhkəmlik prinsipinə uyğun olaraq təyin edilməlidir.

3.2.1 DOE parametr qəbulu və DOE

Dizayn parametrləri buynuz şəkli və U şəkilli yivin ölçüsü mövqeyi və s., Ümumilikdə səkkizdir. Hədəf parametri, birinci dərəcəli eksenel titrəmə tezliyidir, çünki qaynağa ən böyük təsir göstərir və maksimum konsentrat gərginlik və işləyən səth amplitüdündəki vəziyyət vəziyyət dəyişənləri kimi məhdudlaşır. Təcrübəyə əsaslanaraq parametrlərin nəticələrə təsirinin xətti olduğu güman edilir, buna görə hər bir faktor yalnız yüksək və aşağı iki səviyyəyə qoyulur. Parametrlər və müvafiq adların siyahısı aşağıdakı kimidir.

DOE əvvəllər qurulmuş parametrik modeldən istifadə edərək ANSYS-də həyata keçirilir. Proqram məhdudiyyətləri səbəbindən, tam faktorlu DOE yalnız 7 parametrə qədər istifadə edə bilər, modeldə isə 8 parametr var və ANSYS-in DOE nəticələrini təhlili peşəkar 6 sigma proqramı qədər əhatəli deyil və qarşılıqlı əlaqəni idarə edə bilmir. Buna görə, proqramın nəticələrini hesablamaq və çıxarmaq üçün bir DOE dövrü yazmaq üçün APDL istifadə edirik və sonra analiz üçün məlumatları Minitab-a yerləşdiririk.

3.2.2 DOE nəticələrinin təhlili

Minitabın DOE təhlili Şəkil 4-də göstərilmişdir və əsas təsir edən amillərin təhlili və qarşılıqlı analizini əhatə edir. Əsas təsir amili təhlili, hansı dizayn dəyişkənliyi dəyişikliklərinin hədəf dəyişəninə daha çox təsir etdiyini təyin etmək üçün istifadə olunur və bununla da hansının vacib dizayn dəyişkənləri olduğunu göstərir. Daha sonra amillər səviyyəsini müəyyənləşdirmək və dizayn dəyişənləri arasındakı birləşmə dərəcəsini azaltmaq üçün amillər arasındakı qarşılıqlı təsir analiz edilir. Bir dizayn faktoru yüksək və ya aşağı olduqda digər amillərin dəyişmə dərəcəsini müqayisə edin. Müstəqil aksiomaya görə, optimal dizayn bir-birinə bağlanmır, buna görə daha az dəyişkən səviyyə seçin.

Bu sənəddəki qaynaq buynuzunun analiz nəticələri bunlardır: əhəmiyyətli dizayn parametrləri xarici yay radiusu və buynuzun yuva genişliyidir. Hər iki parametrin səviyyəsi “yüksək” dir, yəni DOE-də radius daha böyük bir dəyər alır və yiv genişliyi də daha böyük bir dəyər alır. Əhəmiyyətli parametrlər və onların dəyərləri müəyyənləşdirildi, sonra ANSYS-də dizaynı optimallaşdırmaq üçün buynuz tezliyini qaynaq aparatının işləmə tezliyinə uyğunlaşdırmaq üçün bir neçə digər parametr istifadə edildi. Optimizasiya prosesi aşağıdakı kimidir.

3.3 Hədəf parametrlərinin optimallaşdırılması (buynuz tezliyi)

Dizayn optimallaşdırmasının parametr parametrləri DOE-nin parametrlərinə bənzəyir. Fərq iki vacib parametrin dəyərlərinin müəyyənləşdirilməsidir və digər üç parametr səs-küy kimi qəbul edilən və optimallaşdırıla bilməyən material xüsusiyyətləri ilə əlaqədardır. Tənzimlənə bilən qalan üç parametr yuvanın ox mövqeyi, uzunluğu və buynuz genişliyidir. Optimizasiya ANSYS-də mühəndislik problemlərində geniş istifadə olunan subproblem təxmini metodundan istifadə edir və xüsusi proses buraxılır.

Qeyd etmək lazımdır ki, hədəf dəyişən kimi tezliyin istifadəsi əməliyyatda bir az bacarıq tələb edir. Bir çox dizayn parametrləri və geniş bir dəyişiklik diapazonu olduğundan, buynuzun titrəmə rejimləri maraq tezliyində çoxdur. Modal analizin nəticəsindən birbaşa istifadə olunursa, birinci cərgə ox rejimi tapmaq çətindir, çünki parametrlər dəyişdikdə modal ardıcıllıq bir-birinə çəkilə bilər, yəni orijinal rejimə uyğun olan təbii tezlik sırası dəyişir. Buna görə də, bu sənəd əvvəlcə modal təhlili qəbul edir və sonra tezlik cavab əyrisini əldə etmək üçün modal superpozisiya metodundan istifadə edir. Tezlik reaksiyasının əyrisinin pik dəyərini taparaq uyğun modal tezliyi təmin edə bilər. Avtomatik optimallaşdırma prosesində bu çox vacibdir, modallığı əl ilə müəyyənləşdirmə ehtiyacını aradan qaldırır.

Optimizasiya tamamlandıqdan sonra buynuzun işləmə tezliyi hədəf tezliyinə çox yaxın ola bilər və səhv optimallaşdırmada göstərilən tolerantlıq dəyərindən azdır. Bu nöqtədə, buynuz dizaynı əsasən təyin olunur, sonra istehsal dizaynı üçün istehsal toleransları izlənir.

20200117113652_29938

3.4 Tolerantlıq dizaynı

Ümumi struktur dizaynı bütün dizayn parametrləri müəyyən edildikdən sonra tamamlanır, lakin mühəndis problemləri üçün, xüsusilə kütləvi istehsalın dəyəri nəzərə alınarkən, tolerantlıq dizaynı vacibdir. Aşağı dəqiqliyin dəyəri də azalır, lakin dizayn ölçümlərini yerinə yetirmək üçün kəmiyyət hesablamaları üçün statistik hesablamalar tələb olunur. ANSYS-dəki PDS Ehtimal Dizayn Sistemi dizayn parametr toleransı ilə hədəf parametr toleransı arasındakı əlaqəni daha yaxşı təhlil edə bilər və tam əlaqəli hesabat sənədləri yarada bilər.

3.4.1 PDS parametr parametrləri və hesablamalar

DFSS ideyasına görə tolerantlıq təhlili vacib dizayn parametrləri üzərində aparılmalı və digər ümumi toleranslar empirik olaraq təyin edilə bilər. Bu məqalədəki vəziyyət olduqca xüsusidir, çünki işləmə qabiliyyətinə görə həndəsi dizayn parametrlərinin istehsal tolerantlığı çox azdır və son buynuz tezliyinə az təsir göstərir; təchizatçılara görə xammalın parametrləri çox fərqlidir və xammalın qiyməti buynuz emal xərclərinin% 80-dən çoxunu təşkil edir. Buna görə material xüsusiyyətləri üçün ağlabatan bir tolerantlıq diapazonu təyin etmək lazımdır. Buradakı müvafiq material xüsusiyyətləri sıxlıq, elastiklik modulu və səs dalğasının yayılma sürətidir.

Tolerantlıq analizi, ANSYS-də təsadüfi Monte Carlo simulyasiyasından istifadə edərək Latın Hypercube metodundan nümunə götürdü, çünki nümunə götürmə nöqtələrinin paylanmasını daha vahid və məqbul hala gətirə və daha az nöqtə ilə daha yaxşı korrelyasiya əldə edə bilər. Bu məqalədə 30 xal var. Üç maddi parametrin toleranslarının Gauss'a görə paylandığını, əvvəlcə yuxarı və alt sərhəd verildiyini və sonra ANSYS-də hesablandığını düşünək.

3.4.2 PDS nəticələrinin təhlili

PDS hesablanması yolu ilə 30 seçmə nöqtəsinə uyğun hədəf dəyişən dəyərləri verilir. Hədəf dəyişənlərin paylanması məlum deyil. Parametrlər Minitab proqramından istifadə edərək yenidən quraşdırılır və tezlik əsasən normal paylanmaya görə paylanır. Bu, tolerantlıq analizinin statistik nəzəriyyəsini təmin edir.

PDS hesablanması dizayn dəyişkənliyindən hədəf dəyişəninin tolerans genişlənməsinə uyğun bir düstur verir: burada y hədəf dəyişən, x dizayn dəyişənidir, c korrelyasiya əmsalı və i dəyişən saydır.

Buna görə, tolerantlıq dizaynı vəzifəsini başa çatdırmaq üçün hər bir dizayn dəyişəninə hədəf tolerantlığı təyin edilə bilər.

3.5 Eksperimental yoxlama

Ön hissə bütün qaynaq buynuzunun dizayn prosesidir. Tamamlandıqdan sonra xammal dizaynın icazə verdiyi material toleranslarına uyğun olaraq alınır və sonra istehsalata çatdırılır. Frekans və modal test istehsal başa çatdıqdan sonra həyata keçirilir və istifadə olunan test üsulu ən sadə və ən təsirli snayper test üsuludur. Ən çox maraqlanan indeks birinci dərəcəli eksenel modal tezlik olduğundan, sürətləndirici sensor iş səthinə bərkidilir və digər uc ox istiqamətində vurulur və buynuzun həqiqi tezliyi spektral analizlə əldə edilə bilər. Dizaynın simulyasiya nəticəsi 14925 Hz, test nəticəsi 14954 Hz, tezlik həlli 16 Hz və maksimum səhv 1% -dən azdır. Modal hesablamada sonlu element simulyasiyasının dəqiqliyinin çox yüksək olduğu görülür.

Təcrübə sınağından keçdikdən sonra buynuz ultrasəs qaynaq aparatında istehsal və montaja qoyulur. Reaksiya vəziyyəti yaxşıdır. İş yarım ildən çoxdur sabitdir və qaynaq ixtisası nisbəti yüksəkdir və bu, ümumi avadanlıq istehsalçısının vəd etdiyi üç aylıq xidmət müddətini keçmişdir. Bu, dizaynın müvəffəq olduğunu və istehsal prosesinin dəfələrlə dəyişdirilmədiyini və tənzimlənmədiyini, vaxta və iş gücünə qənaət etdiyini göstərir.

4 Nəticə

Bu sənəd ultrasəs plastik qaynaq prinsipi ilə başlayır, qaynağın texniki fokusunu dərindən mənimsəyir və yeni buynuzun dizayn konsepsiyasını təklif edir. Ardından dizaynı konkret olaraq təhlil etmək və DFSS-in 6-Sigma dizayn ideyasını təqdim etmək üçün sonlu elementin güclü simulyasiya funksiyasından istifadə edin və ANSYS DOE eksperimental dizaynı və PDS tolerantlıq analizi vasitəsilə mühüm dizayn parametrlərinə nəzarət edərək möhkəm bir dizayn əldə edin. Nəhayət, buynuz uğurla bir dəfə istehsal olundu və dizayn eksperimental tezlik testi və həqiqi istehsalın yoxlanılması ilə ağlabatan idi. Həm də bu dizayn üsulları dəstinin mümkün və təsirli olduğunu sübut edir.


Göndərmə vaxtı: 04.04.2020