nouvèl

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Avanti

Avèk devlopman teknoloji ultrasons, aplikasyon li yo se pi plis ak plis vaste, li ka itilize nan pwòp patikil pousyè tè, epi li kapab tou itilize pou soude metal oswa plastik. Espesyalman nan pwodwi plastik jodi a, se soude ultrasons sitou itilize, paske se estrikti a vis omisyon, aparans la ka pi pafè, epi li se fonksyon an nan WATERPROOFING ak pousye pwoteksyon tou bay yo. Desen an nan kòn nan soude plastik gen yon enpak enpòtan sou bon jan kalite a soude final ak kapasite pwodiksyon an. Nan pwodiksyon nouvo mèt elektrik, vag ultrasons yo itilize pou fonn figi anwo ak pi ba yo ansanm. Sepandan, pandan itilizasyon, li te jwenn ke kèk kòn yo enstale sou machin nan ak fann ak lòt echèk rive nan yon kout peryòd de tan. Gen kèk kòn soude To defo a wo. Fay divès kalite te gen yon enpak konsiderab sou pwodiksyon an. Selon konpreyansyon, founisè ekipman yo limite kapasite konsepsyon pou kòn, e souvan nan repare repete pou reyalize endikatè konsepsyon yo. Se poutèt sa, li nesesè yo sèvi ak pwòp avantaj teknolojik nou yo devlope kòn dirab ak yon metòd konsepsyon rezonab.

2 prensip soude ultrasons plastik

Soude plastik ultrasons se yon metòd pwosesis ki itilize konbinezon an nan tèrmoplastik nan Vibration a wo-frekans fòse, ak sifas yo soude fwote youn ak lòt yo pwodwi lokal segondè-tanperati k ap fonn. Yo nan lòd yo reyalize bon rezilta soude ultrasons, ekipman, materyèl ak paramèt pwosesis yo mande yo. Sa ki anba la a se yon entwodiksyon tou kout sou prensip li yo.

2.1 sistèm plastik soude ultrasons

Figi 1 se yon View schematic nan yon sistèm soude. Enèji elektrik la pase nan dèlko siyal la ak anplifikatè pouvwa a pou pwodwi yon altène siyal elektrik nan frekans ultrasons (> 20 kHz) ki aplike nan transducteur a (seramik piezoelectric). Atravè transducteur a, enèji elektrik la vin enèji nan Vibration mekanik la, epi anplitid Vibration mekanik la ajiste pa kòn nan anplitid ki apwopriye k ap travay, ak Lè sa a, menm jan transmèt nan materyèl la an kontak ak li nan kòn lan. Sifas yo kontak nan de materyèl yo soude yo sibi segondè-frekans fòse Vibration, ak chalè a friksyon jenere lokal tanperati ki wo k ap fonn. Apre refwadisman, materyèl yo konbine pou reyalize soude.

Nan yon sistèm soude, sous siyal la se yon pati sikwi ki gen yon sikwi anplifikatè pouvwa ki gen estabilite frekans ak kapasite kondwi afekte pèfòmans machin lan. Materyèl la se yon tèrmoplastik, ak desen an nan sifas la jwenti bezwen konsidere ki jan yo byen vit jenere chalè ak waf. Transducteurs, kòn ak kòn ka tout konsidere kòm estrikti mekanik pou analiz fasil nan kouti a nan Vibration yo. Nan soude plastik, se Vibration mekanik transmèt nan fòm lan nan vag Longitudinal. Ki jan yo efektivman transfere enèji ak ajiste anplitid la se pwen prensipal la nan konsepsyon.

2.2horn

Kòn lan sèvi kòm koòdone nan kontak ant machin nan soude ultrasons ak materyèl la. Fonksyon prensipal li se transmèt longitudinal Vibration mekanik la sorti pa varyateur la respire ak efikasite nan materyèl la. Materyèl la itilize se nòmalman bon jan kalite alyaj aliminyòm oswa menm alyaj Titàn. Paske desen an nan materyèl plastik chanje anpil, aparans la trè diferan, ak kòn lan gen chanje kòmsadwa. Fòm nan sifas la k ap travay yo ta dwe byen matche ak materyèl la, se konsa yo pa domaje plastik la lè vibre; an menm tan an, premye-lòd longitudinal Vibration solid frekans lan ta dwe kowòdone ak frekans pwodiksyon an nan machin nan soude, otreman enèji nan Vibration yo pral boule intern. Lè kòn lan vibre, konsantrasyon estrès lokal rive. Ki jan yo optimize estrikti lokal sa yo se tou yon konsiderasyon konsepsyon. Atik sa a eksplore kijan pou aplike pou kòn konsepsyon ANSYS pou optimize paramèt konsepsyon ak tolerans fabrikasyon yo.

3 konsepsyon kòn soude

Kòm mansyone pi bonè, desen an nan kòn lan soude se byen enpòtan. Gen anpil founisè ekipman ultrasons nan Lachin ki pwodwi pwòp kòn soude yo, men yon pati konsiderab nan yo se imitasyon, ak Lè sa a, yo toujou ap taye ak tès yo. Atravè metòd ajisteman repete sa a, kowòdinasyon kòn ak frekans ekipman yo reyalize. Nan papye sa a, metòd eleman fini an ka itilize pou detèmine frekans lè y ap desine kòn lan. Rezilta tès kòn lan ak erè frekans konsepsyon yo se sèlman 1%. An menm tan an, papye sa a entwodui konsèp DFSS (Design For Six Sigma) pou optimize ak gaya konsepsyon kòn. Konsèp nan 6-Sigma konsepsyon se konplètman kolekte vwa kliyan an nan pwosesis la konsepsyon pou konsepsyon vize; ak pre-konsiderasyon de devyasyon posib nan pwosesis pwodiksyon an asire ke bon jan kalite a nan pwodwi final la distribiye nan yon nivo rezonab. Pwosesis la konsepsyon yo montre nan Figi 2. Kòmanse nan devlopman nan endikatè yo konsepsyon, estrikti a ak dimansyon nan kòn lan yo okòmansman fèt dapre eksperyans nan ki deja egziste. Se modèl la paramètrik etabli nan ANSYS, ak Lè sa a, modèl la detèmine pa metòd la eksperyans simulation konsepsyon (DOE). Paramèt enpòtan, selon kondisyon ki solid, detèmine valè a, ak Lè sa a, sèvi ak metòd la sub-pwoblèm yo optimize lòt paramèt. Lè w ap pran an kont enfliyans nan materyèl ak paramèt anviwònman an pandan fabrike ak itilize nan kòn lan, li te tou te fèt ak tolerans satisfè kondisyon ki nan depans fabrikasyon yo. Finalman, fabrikasyon, tès la ak tès teyori konsepsyon ak aktyèl erè, al kontre endikatè yo konsepsyon ke yo lage. Sa a etap-pa-etap entwodiksyon detaye.

20200117113651_36685

3.1 konsepsyon fòm jewometrik (etabli yon modèl paramètrik)

Designing kòn lan soude premye detèmine fòm apwoksimatif jewometrik li yo ak estrikti ak etabli yon modèl paramètrik pou analiz ki vin apre. Figi 3 a) se desen an nan kòn lan soude ki pi komen, nan ki yon kantite genyen siyon ki gen fòm U yo louvri nan yon direksyon ki nan Vibration sou yon materyèl nan apeprè kuboid. Dimansyon jeneral yo se longè direksyon X, Y, ak Z, ak dimansyon lateral X ak Y yo jeneralman konparab ak gwosè a nan materyo a ke yo te soude. Longè Z a egal a longèdonn mwatye vag ultrasons la, paske nan teyori Vibration klasik la, se premye frekans axial nan objè a long detèmine pa longè li yo, ak longè a demi-vag egzakteman matche ak acoustic la frekans vag. Konsepsyon sa a te pwolonje. Sèvi ak, se benefisye a gaye nan vag son. Rezon ki genyen nan Groove a U ki gen fòm se diminye pèt la nan Vibration lateral nan kòn lan. Yo detèmine pozisyon, gwosè ak nimewo selon gwosè an jeneral nan kòn lan. Li ka wè ke nan konsepsyon sa a, gen mwens paramèt ki ka lib reglemante, se konsa nou te fè amelyorasyon sou baz sa a. Figi 3 b) se yon kòn ki fèk fèt ki gen yon sèl plis paramèt gwosè pase konsepsyon tradisyonèl la: reyon arc ekstèn R. Anplis de sa, Groove a grave sou sifas k ap travay nan kòn lan pou kolabore ak sifas materyo plastik la, ki benefisye transmèt enèji Vibration ak pwoteje materyo a kont domaj. Modèl sa a regilyèman modelize nan ANSYS, ak Lè sa a, pwochen konsepsyon eksperimantal la.

3.2 DOE eksperimantal konsepsyon (detèminasyon nan paramèt enpòtan)

DFSS kreye pou rezoud pwoblèm jeni pratik. Li pa pouswiv pèfeksyon, men li efikas ak gaya. Li enkòpore lide a nan 6-Sigma, kaptire kontradiksyon prensipal la, ak abandone "99.97%", pandan y ap egzije konsepsyon an yo dwe byen rezistan nan varyab anviwònman an. Se poutèt sa, anvan yo fè optimize paramèt sib la, li ta dwe tès depistaj an premye, epi yo ta dwe chwazi gwosè ki gen yon enfliyans enpòtan sou estrikti a, epi yo ta dwe detèmine valè yo selon prensip robustès la.

3.2.1 anviwònman paramèt DOE ak DOE

Paramèt konsepsyon yo se fòm kòn lan ak pozisyon gwosè Groove ki gen fòm U a, elatriye, yon total de uit. Paramèt sib la se premye-lòd frekans Vibration axial paske li gen pi gwo enfliyans sou soude a, ak maksimòm estrès konsantre ak diferans lan nan anplitid sifas k ap travay yo limite kòm varyab eta yo. Ki baze sou eksperyans, li sipoze ke efè a nan paramèt yo sou rezilta yo se lineyè, se konsa chak faktè se sèlman mete nan de nivo, wo ak ba. Lis la nan paramèt ak non korespondan se jan sa a.

DOE fèt nan ANSYS lè l sèvi avèk modèl la paramètrik deja etabli. Akòz limit lojisyèl, plen-faktè DOE ka sèlman itilize jiska 7 paramèt, pandan y ap modèl la gen 8 paramèt, ak analiz ANSYS nan rezilta DOE se pa tankou complète tankou pwofesyonèl 6-sigma lojisyèl, epi yo pa ka okipe entèraksyon. Se poutèt sa, nou itilize APDL yo ekri yon bouk DOE kalkile ak ekstrè rezilta yo nan pwogram nan, ak Lè sa a, mete done yo nan Minitab pou analiz.

3.2.2 Analiz rezilta DOE

Analiz DOE Minitab la montre nan Figi 4 e li gen ladan faktè prensipal enfliyanse analiz ak analiz entèraksyon. Prensipal enfliyanse faktè analiz la itilize pou detèmine ki chanjman varyab konsepsyon gen yon pi gwo enpak sou varyab la sib, kidonk ki endike ki enpòtan varyab konsepsyon. Lè sa a, entèraksyon ki genyen ant faktè sa yo analize detèmine nivo a nan faktè sa yo ak diminye degre nan kouti ant varyab yo konsepsyon. Konpare degre chanjman lòt faktè lè yon faktè konsepsyon wo oswa ba. Dapre aksyòm endepandan an, konsepsyon optimal la pa makonnen youn ak lòt, kidonk chwazi nivo ki mwens varyab.

Rezilta analiz kòn soude nan papye sa a se: paramèt konsepsyon enpòtan yo se reyon arc ekstèn lan ak lajè plas kòn lan. Nivo tou de paramèt yo "wo", se sa ki, reyon an pran yon pi gwo valè nan DOE a, ak lajè a Groove tou pran yon pi gwo valè. Paramèt enpòtan yo ak valè yo te detèmine, ak Lè sa a, plizyè lòt paramèt yo te itilize yo optimize konsepsyon an nan ANSYS ajiste frekans lan kòn matche ak frekans nan opere nan machin nan soude. Pwosesis optimize a se jan sa a.

3.3 Optimize paramèt sib (frekans kòn)

Anviwònman yo paramèt nan optimize nan konsepsyon yo sanble ak sa yo ki nan DOE la. Diferans lan se ke valè yo nan de paramèt enpòtan yo te detèmine, ak lòt twa paramèt yo ki gen rapò ak pwopriyete yo materyèl, ki fè yo konsidere kòm bri epi yo pa kapab optimize. Rete twa paramèt ki ka ajiste yo se pozisyon axial nan plas la, longè a ak lajè a kòn. Optimizasyon an itilize metòd apwoksimasyon subproblem nan ANSYS, ki se yon metòd lajman itilize nan pwoblèm jeni, epi pwosesis espesifik la omisyon.

Li se vo anyen ke lè l sèvi avèk frekans kòm varyab la sib mande pou yon ti konpetans nan operasyon. Paske gen anpil paramèt konsepsyon ak nan yon pakèt domèn varyasyon, mòd yo Vibration nan kòn lan yo anpil nan seri a frekans nan enterè yo. Si rezilta a nan analiz modal dirèkteman itilize, li difisil pou jwenn mòd nan lòd premye axial, paske sekans nan modal interleaving ka rive lè paramèt yo chanje, se sa ki, òdinal la frekans natirèl ki koresponn ak chanjman yo mòd orijinal yo. Se poutèt sa, papye sa a adopte analiz la modal an premye, ak Lè sa a, sèvi ak metòd la supèrpozisyon modal jwenn koub la repons frekans. Pa jwenn valè pik nan koub repons frekans lan, li ka asire frekans modal ki koresponn lan. Sa enpòtan anpil nan pwosesis optimize otomatik la, elimine nesesite pou detèmine manyèlman modalite a.

Apre optimize a fini, konsepsyon frekans k ap travay nan kòn lan ka trè pre frekans sib la, epi erè a mwens pase valè tolerans ki espesifye nan optimize a. Nan pwen sa a, se konsepsyon an kòn fondamantalman detèmine, ki te swiv pa tolerans fabrikasyon pou konsepsyon pwodiksyon an.

20200117113652_29938

3.4 konsepsyon tolerans

Konsepsyon estriktirèl jeneral la fini apre tout paramèt konsepsyon yo te detèmine, men pou pwoblèm jeni, sitou lè w ap konsidere pri pwodiksyon mas, konsepsyon tolerans esansyèl. Pri a nan presizyon ki ba tou redwi, men kapasite nan satisfè mezi konsepsyon mande pou kalkil estatistik pou kalkil quantitative. PDS Pwobabilite Design System nan ANSYS ka pi byen analize relasyon ki genyen ant tolerans paramèt konsepsyon ak tolerans paramèt sib, epi li ka jenere dosye rapò konplè ki gen rapò.

3.4.1 anviwònman paramèt PDS ak kalkil

Dapre lide DFSS la, analiz tolerans yo ta dwe fèt sou paramèt konsepsyon enpòtan, ak lòt tolerans jeneral yo ka detèmine anpirikman. Sitiyasyon an nan papye sa a se byen espesyal, paske selon kapasite a nan MACHINING, tolerans nan fabrikasyon nan paramèt konsepsyon jewometrik se piti anpil, e li gen ti efè sou frekans lan kòn final; pandan y ap paramèt yo nan matyè premyè yo anpil diferan akòz Swèd, ak pri a nan matyè premyè kont pou Plis pase 80% nan depans pou pwosesis kòn. Se poutèt sa, li nesesè yo mete yon seri tolerans rezonab pou pwopriyete yo materyèl. Pwopriyete materyèl ki enpòtan yo isit la se dansite, modil elastisite ak vitès pwopagasyon vag son.

Analiz tolerans itilize o aza simulation Monte Carlo nan ANSYS pou echantiyon metòd Hypercube Latin lan paske li ka fè distribisyon pwen echantiyon yo pi inifòm ak rezonab, epi jwenn pi bon korelasyon pa mwens pwen. Papye sa a etabli 30 pwen. Sipoze ke tolerans yo nan twa paramèt yo materyèl yo distribye dapre Gauss, okòmansman bay yon limit anwo ak pi ba yo, ak Lè sa a, kalkile nan ANSYS.

3.4.2 Analiz rezilta PDS yo

Atravè kalkil la nan PDS, valè yo varyab sib ki koresponn a 30 pwen echantiyon yo bay yo. Distribisyon varyab sib yo enkoni. Paramèt yo ekipe ankò lè l sèvi avèk lojisyèl Minitab, epi frekans lan fondamantalman distribiye dapre distribisyon nòmal la. Sa asire teyori estatistik analiz tolerans lan.

Kalkil la PDS bay yon fòmil Fitting soti nan varyab la konsepsyon nan ekspansyon nan tolerans nan varyab la sib: kote y se varyab la sib, x se varyab la konsepsyon, c se koyefisyan nan korelasyon, e mwen se nimewo a varyab.

Selon sa, tolerans sib la ka asiyen nan chak varyab konsepsyon pou konplete travay konsepsyon tolerans lan.

3.5 Verifikasyon eksperimantal

Pati devan an se pwosesis konsepsyon tout kòn soude a. Apre fini an, matyè premyè yo achte selon tolerans materyèl ki pèmèt nan konsepsyon an, ak Lè sa a, lage nan fabrikasyon an. Frekans ak tès modal yo fèt apre fabrikasyon an fini, ak metòd tès yo itilize se metòd tès tirè pwofesyonèl ki pi senp ak pi efikas. Paske endèks ki pi konsène a se premye-lòd axial frekans modal la, se Capteur a akselerasyon tache ak sifas la k ap travay, epi li se fen nan lòt frape ansanm direksyon an axial, ak frekans aktyèl la nan kòn lan ka jwenn nan analiz spectral. Rezilta a simulation nan konsepsyon an se 14925 Hz, rezilta tès la se 14954 Hz, rezolisyon frekans lan se 16 Hz, ak erè a maksimòm se mwens pase 1%. Li ka wè ke presizyon nan simulation eleman fini nan kalkil modal la trè wo.

Apre pase tès eksperimantal la, kòn lan mete nan pwodiksyon ak asanble sou machin soude ultrasons la. Kondisyon reyaksyon an bon. Travay la te estab pou plis pase mwatye nan yon ane, ak pousantaj kalifikasyon soude a wo, ki te depase lavi sèvis twa mwa pwomèt pa manifakti ekipman jeneral la. Sa a montre ke konsepsyon an gen siksè, ak pwosesis fabrikasyon an pa te repete modifye ak ajiste, ekonomize tan ak manpower.

4 Konklizyon

Papye sa a kòmanse ak prensip la nan soude plastik ultrasons, pwofondman atrab konsantre nan teknik nan soude, ak pwopoze konsèp la konsepsyon de nouvo kòn. Lè sa a, sèvi ak fonksyon an simulation pwisan nan eleman fini analize konsepsyon an konkrètman, epi prezante lide nan konsepsyon 6-Sigma nan DFSS, ak kontwole paramèt yo konsepsyon enpòtan nan ANSYS DOE eksperimantal konsepsyon ak PDS analiz tolerans reyalize gaya konsepsyon. Finalman, kòn lan te avèk siksè fabrike yon fwa, ak konsepsyon an te rezonab pa tès la frekans eksperimantal ak verifikasyon pwodiksyon aktyèl la. Li pwouve tou ke seri metòd konsepsyon sa a posib e efikas.


Post tan: Nov-04-2020