wartos

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Panganteur

Kalayan ngembangkeun téknologi ultrasonik, aplikasi na langkung seueur, tiasa dianggo pikeun ngabersihan partikel kokotor alit, sareng éta ogé tiasa dianggo pikeun ngelas logam atanapi plastik. Utamana dina produk palastik ayeuna, las ultrasonik seueur dianggo, kusabab struktur sekrupna disingkirkeun, penampilanna tiasa langkung sampurna, sareng fungsi waterproofing sareng tahan lebu ogé disayogikeun. Desain tanduk las palastik gaduh pangaruh penting kana kualitas las akhir sareng kapasitas produksi. Dina produksi méter listrik énggal, gelombang ultrasonik digunakeun pikeun ngahiji bagéan luhur sareng handap sasarengan. Nanging, nalika dianggo, mendakan yén sababaraha tanduk dipasang dina mesin sareng retak sareng kagagalan anu sanésna lumangsung dina waktos anu singget. Sababaraha tanduk las Laju cacadna luhur. Rupa-rupa kalepatan parantos mangaruhan kana produksi. Numutkeun kana pamahaman, pamasok alat gaduh kamampuan desain terbatas pikeun tanduk, sareng sering ngalangkungan perbaikan anu teras-terasan pikeun ngahontal indikator desain. Kusabab kitu, perlu ngagunakeun kaunggulan téknologi urang sorangan pikeun ngembangkeun tanduk awét sareng metode desain anu wajar.

2 Prinsip las plastik Ultrasonik

Las plastik ultrasonik mangrupikeun cara ngolah anu ngamangpaatkeun kombinasi thermoplastics dina geteran dipaksa frékuénsi luhur, sareng permukaan las silih gosok pikeun ngahasilkeun lebur suhu luhur lokal. Dina raraga ngahontal hasil las ultrasonik anu saé, alat, bahan sareng parameter prosés diperyogikeun. Ieu mangrupikeun perkenalan sing pondok pikeun prinsip na.

2.1 Sistem las palastik ultrasonik

Gambar 1 mangrupikeun pandangan skéma tina sistem las. Énergi listrik dialirkeun generator sinyal sareng amplifier listrik pikeun ngahasilkeun sinyal listrik bolak-balik frekuensi ultrasonik (> 20 kHz) anu dilarapkeun kana transduser (keramik piezoelektrik). Ngalangkungan transduser, énergi listrik janten énergi geter mékanis, sareng amplitudo geter mékanis disaluyukeun ku tanduk kana amplitudo kerja anu saluyu, teras diserat sacara seragam kana bahan anu kontak kalayan éta ngaliwatan tanduk. Permukaan kontak tina dua bahan las ditekenkeun kana geter paksaan frékuénsi luhur, sareng panas gesekan ngahasilkeun lebur suhu luhur lokal. Saatos tiis, bahanna digabungkeun pikeun ngahontal las.

Dina sistem las, sumber sinyal mangrupikeun bagian sirkuit anu ngandung sirkuit power amplifier anu stabilitas frékuénsi sareng kamampuan drive na mangaruhan kinerja mesin. Bahanna mangrupikeun termoplastik, sareng desain permukaan gabungan kedah ngémutan kumaha gancang ngahasilkeun panas sareng darmaga. Transduser, tanduk sareng tanduk sadayana tiasa dianggap struktur mékanis pikeun analisis gampang tina gandeng geterna. Dina las plastik, geter mékanis dikirimkeun dina bentuk gelombang bujur. Kumaha cara sacara efektif mindahkeun énergi sareng nyaluyukeun amplitudo mangrupikeun titik utama desain.

2.2 tanduk

Klakson mangrupikeun panganteur kontak antara mesin las ultrasonik sareng matéri. Fungsi utamina nyaéta ngirimkeun geter mékanis bujur anu di kaluarkeun ku variatorna sacara merata sareng éfisién kana matéri. Bahan anu digunakeun biasana alloy aluminium kualitas luhur atanapi bahkan paduan titanium. Kusabab desain bahan palastik seueur robih pisan, penampilanana benten pisan, sareng tandukna kedah robih saluyu. Bentuk permukaan anu dianggo kedah saé cocog sareng matéri, supados henteu ngaruksak plastik nalika ngageter; dina waktos anu sami, urutan solid getaran bujur mimitina urutan kedah koordinasi sareng frekuensi kaluaran mesin las, upami énergi geter bakal dikonsumsi internal. Nalika tanduk ngageter, konsentrasi setrés lokal lumangsung. Kumaha ngaoptimalkeun struktur lokal ieu ogé janten pertimbangan desain. Tulisan ieu ngajajah kumaha nerapkeun tanduk desain ANSYS pikeun ngaoptimalkeun parameter desain sareng kasabaran manufaktur.

3 rancang tanduk las

Sakumaha didadarkeun di tadi, desain tanduk las cukup penting. Aya seueur anu nyayogikeun peralatan ultrasonik di Cina anu ngahasilkeun tanduk las sorangan, tapi bagian anu penting diantarana nyaéta tiruan, teras aranjeunna teras-terasan motong sareng uji. Ngaliwatan metode pangaturan anu teras-terasan ieu, koordinasi frekuensi tanduk sareng peralatan kahontal. Dina makalah ieu, metode elemen terbatas tiasa dianggo pikeun nangtoskeun frékuénsi nalika ngarancang tanduk. Hasil uji tanduk sareng kasalahan frékuénsi desain ngan ukur 1%. Dina waktos anu sami, makalah ieu ngenalkeun konsép DFSS (Desain Kanggo Genep Sigma) pikeun ngaoptimalkeun sareng desain kuat tanduk. Konsép desain 6-Sigma nyaéta pikeun pinuh ngumpulkeun sora nasabah dina prosés desain pikeun desain anu ditargét; sareng pra-tinimbangan kamungkinan panyimpangan dina prosés produksi pikeun mastikeun yén kualitas produk akhir disebarkeun dina tingkat anu wajar. Prosés desain ditampilkeun dina Gambar 2. Mimitian ti kamekaran indikator desain, struktur sareng ukuran tanduk mimitina mah dirancang numutkeun pangalaman anu aya. Modél paramétrik diadegkeun dina ANSYS, teras modél ditangtukeun ku metode desain percobaan simulasi (DOE). Parameter penting, numutkeun sarat anu mantep, tangtukeun nilaina, teras nganggo metode sub-masalah pikeun ngaoptimalkeun parameter anu sanés. Ngitung pangaruh bahan sareng parameter lingkungan nalika didamel sareng dianggo tanduk, éta ogé parantos dirarancang kalayan toleransi pikeun nyumponan pasaratan biaya produksi. Tungtungna, desain téori manufaktur, uji coba sareng tés sareng kasalahan anu leres, pikeun minuhan indikator desain anu ditepikeun. Ieu léngkah-léngkah rinci lengkep.

20200117113651_36685

3.1 Desain bentuk géométri (netepkeun modél paramétrik)

Ngadesain tanduk las mimitina nangtoskeun bentuk sareng struktur geometri na sareng ngawangun modél paramétrik pikeun analisis salajengna. Gambar 3 a) mangrupikeun desain tanduk las paling umum, dimana sajumlah alur ngawangun U dibuka dina arah geter dina bahan sakitar kuboid. Diménsi umumna nyaéta panjang arah X, Y, sareng Z, sareng diménsi gurat X sareng Y umumna tiasa dibandingkeun sareng ukuran bahan padamelan anu dilas. Panjang Z sarua jeung satengah panjang gelombang gelombang ultrasonik, sabab dina tiori getaran klasik, frékuénsi aksial urutan kahiji obyék manjang ditangtukeun ku panjangna, sareng panjang gelombang satengahna persis cocog sareng akustik frékuénsi gelombang. Desain ieu parantos diperpanjang. Anggo, manpaat pikeun sumebarna gelombang sora. Tujuan tina alur ngawangun U nyaéta pikeun ngirangan leungitna geter gurat tanduk. Posisi, ukuran sareng nomer ditangtoskeun numutkeun sadaya ukuran tanduk. Éta tiasa ditingali yén dina desain ieu, aya langkung seueur parameter anu tiasa diatur sacara bébas, janten kami parantos ngalaksanakeun dasarna ieu. Gambar 3 b) mangrupikeun tanduk anu nembé dirarancang anu ngagaduhan parameter ukuran langkung ti desain tradisional: radius busur luar R. Salaku tambahan, alur diukir dina permukaan tanduk pikeun damel sareng permukaan bahan palastik, anu nguntungkeun pikeun ngirimkeun énergi geter sareng ngajagi benda kerja tina karusakan. Modél ieu sacara rutin parametrically dimodelkeun dina ANSYS, teras desain ékspérimén anu salajengna.

3.2 Désain eksperimen DOE (tekad tina parameter penting)

DFSS didamel kanggo méréskeun masalah rékayasa praktis. Éta henteu ngudag kasampurnaan, tapi épéktip sareng kuat. Éta nyayogikeun ideu 6-Sigma, nangkep kontradiksi utama, sareng ninggali "99,97%", bari meryogikeun desain anu cukup tahan kana kerentanan lingkungan. Kituna, sateuacan ngadamel optimasi parameter target, éta kedahna diayak heula, sareng ukuran anu ngagaduhan pangaruh anu penting kana strukturna kedah dipilih, sareng nilaina kedah ditangtoskeun numutkeun prinsip kateguhan.

3.2.1 setting parameter DOE sareng DOE

Parameter desain nyaéta bentuk tanduk sareng posisi ukuran alur ngawangun U, sareng sajabana, jumlahna dalapan. Parameter udagan mangrupikeun frékuénsi geter aksial akséri anu munggaran sabab ngagaduhan pangaruh pangageungna dina las, sareng setrés maksimum konséntrasi sareng bédana dina amplitudo permukaan damel diwatesan salaku variabel kaayaan. Dumasar kana pangalaman, diasumsikeun yén pangaruh parameter kana hasilna linier, janten masing-masing faktor ngan ukur disetél ka dua tingkatan, luhur sareng handap. Daptar parameter sareng nami saluyu sapertos kieu.

DOE dilakukeun dina ANSYS nganggo modél paramétrik anu parantos didamel sateuacanna. Kusabab keterbatasan parangkat lunak, DOE faktor lengkep ngan ukur tiasa nganggo dugi ka 7 parameter, sedengkeun modélna aya 8 parameter, sareng analisis ANSYS ngeunaan hasil DOE henteu saémbara salaku perangkat lunak 6-sigma propésional, sareng henteu tiasa nahan interaksi. Kituna, kami nganggo APDL pikeun nulis loop DOE pikeun ngitung sareng nimba hasil tina program, teras nempatkeun data kana Minitab pikeun dianalisis.

3.2.2 Analisis hasil DOE

Analisis DOE Minitab dipidangkeun dina Gambar 4 sareng kalebet analisis faktor pangaruh utama sareng analisis interaksi. Analisis faktor pangaruhan utama dianggo pikeun nangtoskeun parobahan variabel desain anu ngagaduhan pangaruh anu langkung ageung kana variabel targét, sahingga nunjukkeun anu mangrupikeun variabel desain penting. Interaksi antara faktor teras dianalisis pikeun nangtoskeun tingkat faktorna sareng pikeun ngirangan tingkat gandeng antara variabel desain. Bandingkeun tingkat parobihan faktor sanés nalika faktor desain tinggi atanapi handap. Numutkeun kana aksioma anu mandiri, desain optimal henteu saling gandéng, janten pilih tingkat anu kirang variabel.

Hasil analisis tanduk las dina makalah ieu nyaéta: parameter desain anu penting nyaéta radius busur luar sareng lébar slot tandukna. Tingkat duanana parameter nyaéta "luhur", nyaéta radius nyandak nilai anu langkung ageung dina DOE, sareng lébar alur ogé nyandak nilai anu langkung ageung. Parameter penting sareng nilaina ditangtukeun, teras sababaraha parameter sanésna dianggo ngaoptimalkeun desain dina ANSYS pikeun ngaluyukeun frékuénsi tanduk pikeun cocog sareng frékuénsi operasi mesin las. Prosés optimasi sapertos kieu.

3.3 Target optimasi parameter (frékuénsi tanduk)

Setélan parameter tina optimasi desain mirip sareng DOE. Bédana na nyaéta nilai dua parameter penting parantos ditangtoskeun, sareng tilu parameter sanésna aya hubunganana sareng sipat matéri, anu dianggap noise sareng henteu tiasa dioptimalkeun. Tilu parameter sésana anu tiasa diluyukeun nyaéta posisi aksial tina slot, panjang sareng lébar tandukna. Optimisasi nganggo metode pendekatan subproblem dina ANSYS, anu mangrupikeun metode anu seueur dianggo dina masalah rékayasa, sareng prosés anu khusus dileungitkeun.

Perhatoskeun yén ngagunakeun frékuénsi salaku variabel targét peryogi sakedik katerampilan dina operasi. Kusabab aya seueur parameter desain sareng rupa-rupa variasi, modeu geter tanduk seueur dina kisaran frékuénsi karesep. Upami hasil analisa modal langsung dianggo, sesah milari modeu aksial urutan kahiji, sabab antarpasang susunan modél tiasa lumangsung nalika parobihan parameter, nyaéta réginal frékuénsi alami anu saluyu sareng modeu aslina anu robih. Maka, makalah ieu nyoko kana analisa modal heula, teras nganggo metode superposisi modal pikeun kéngingkeun kurva réspon frékuénsi. Ku milarian nilai puncak tina kurva réspon frékuénsi, éta tiasa mastikeun frékuénsi modal anu saluyu. Ieu penting pisan dina prosés optimalisasi otomatis, ngaleungitkeun kabutuhan pikeun sacara manual nangtukeun modalitasna.

Saatos optimalisasi réngsé, desain frékuénsi damel tanduk tiasa caket pisan sareng frékuénsi target, sareng kasalahan kirang tina nilai kasabaran anu parantos ditangtoskeun dina optimasi. Dina titik ieu, desain tanduk dasarna ditangtukeun, dituturkeun ku toléransi manufaktur pikeun desain produksi.

20200117113652_29938

3.4 Desain toléransi

Desain struktural umum réngsé saatos sadaya parameter desain parantos ditangtoskeun, tapi pikeun masalah rékayasa, utamina nalika ngémutan biaya produksi masal, desain toléransi penting pisan. Biaya presisi rendah ogé dikirangan, tapi kamampuan pikeun nohonan métrik desain peryogi itungan statistik pikeun itungan kuantitatif. Sistem Desain Probabilitas PDS dina ANSYS tiasa langkung nganalisis hubungan antara toleransi parameter desain sareng toleransi parameter target, sareng tiasa ngahasilkeun file laporan anu lengkep.

3.4.1 Setélan parameter PDS sareng perhitungan

Numutkeun kana pamanggih DFSS, analisis kasabaran kedah dilakukeun kana parameter desain anu penting, sareng toleransi umum anu sanés tiasa ditangtoskeun sacara émpiris. Kaayaan dina makalah ieu rada istiméwa, sabab numutkeun kamampuan mesin, kasabaran manufaktur parameter desain géométri alit pisan, sareng sakedik pangaruhna kana frékuénsi tanduk akhir; sedengkeun parameter bahan baku bénten pisan kumargi panyadia, sareng harga bahan baku nyatakeun langkung ti 80% biaya ngolah tanduk. Ku alatan éta, perlu nyetél kisaran kasabaran anu wajar pikeun sipat matérial. Pasipatan matéri anu aya hubunganana di dieu nyaéta kapadetan, modulus élastisitas sareng laju nyebarkeun gelombang sora.

Analisis kasabaran nganggo simulasi Monte Carlo acak dina ANSYS pikeun conto metode Latin Hypercube sabab tiasa ngajantenkeun sebaran poin sampling langkung seragam sareng wajar, sareng kéngingkeun korélasi langkung saé ku langkung sakedik poin. Tulisan ieu netepkeun 30 poin. Anggap yén toleransi tina tilu parameter matéri disebarkeun numutkeun Gauss, mimitina dibéré wates luhur sareng handap, teras diitung dina ANSYS.

3.4.2 Analisis hasil PDS

Ngalangkungan itungan PDS, nilai variabel target anu sami sareng 30 poin sampling dirumuskeun. Sebaran variabel target henteu dipikaterang. Parameterna dipasang deui nganggo perangkat lunak Minitab, sareng frékuénsi dasarna disebarkeun numutkeun distribusi normal. Ieu mastikeun téori statistik analisis kasabaran.

Itungan PDS masihan rumus pas tina variabel desain kana ékspansi toleransi tina variabel target: dimana y nyaéta variabel target, x mangrupikeun variabel desain, c mangrupikeun koefisien korélasi, sareng i mangrupikeun jumlah variabel.

Numutkeun ieu, toleransi udagan tiasa ditugaskeun pikeun masing-masing variabel desain pikeun ngarengsekeun tugas desain toleransi.

3.5 Verifikasi ékspérimén

Bagian payun nyaéta prosés desain sadaya tanduk las. Saatos réngsé, bahan baku dipésér numutkeun toleransi bahan anu diidinan ku desain, teras dikirimkeun ka pabrikna. Tés frékuénsi sareng modal dilakukeun saatos manufaktur réngsé, sareng metode tés anu digunakeun nyaéta metode tés sniper pangbasajanna sareng paling épéktip. Kusabab indéks anu paling diperhatoskeun nyaéta frékuénsi modal aksial urutan kahiji, sénsor akselerasi dipasang dina permukaan damel, sareng ujung anu sanésna ditabrak sapanjang arah aksial, sareng frékuénsi tanduk anu leres tiasa didamel ku analisis spéktral. Hasil simulasi desain nyaéta 14925 Hz, hasil tés 14954 Hz, résolusi frékuénsi 16 Hz, sareng kasalahan maksimal kirang ti 1%. Éta tiasa ditingali yén akurasi simulasi unsur terhingga dina itungan modal seueur pisan.

Saatos lulus uji coba, tandukna dilebetkeun kana produksi sareng perakitan dina mesin las ultrasonik. Kaayaan réaksina saé. Pagawéanna stabil pikeun langkung ti satengah taun, sareng tingkat kualifikasi las na luhur, anu parantos ngaleuwihan umur jasa tilu bulan anu dijanjikeun ku pabrik alat umum. Ieu nunjukkeun yén desainna suksés, sareng prosés pembuatanna henteu teras-terasan dirobih sareng disaluyukeun, ngahémat waktos sareng tanaga tanaga.

4 Kacindekan

Tulisan ieu dimimitian ku prinsip las plastik ultrasonik, jero pisan ngartos fokus téknis las, sareng ngajukeun konsép desain tanduk énggal. Teras gunakeun fungsi simulasi anu kuat pikeun unsur kawates pikeun nganalisis desain sacara kongkrit, sareng ngenalkeun ide desain 6-Sigma ngeunaan DFSS, sareng ngendalikeun parameter desain anu penting ngalangkungan desain eksperimen ANSYS DOE sareng analisis toleransi PDS pikeun ngahontal desain mantap. Akhirna, tanduk hasilna diproduksi sakali, sareng desainana wajar ku uji coba ékspérimén ékspérimén sareng verifikasi produksi anu saleresna. Éta ogé ngabuktikeun yén susunan metode desain ieu tiasa dilakukeun sareng épéktip.


Waktos Post: Nov-04-2020