Wie man Parameteroptimierung FEM ANSYS und Wahrscheinlichkeitsentwurf des Ultraschallschweißenshorns verwendet

Wie man Parameteroptimierung FEM ANSYS und Wahrscheinlichkeitsentwurf des Ultraschallschweißenshorns verwendet

Vorwort

Mit der Entwicklung der Ultraschalltechnologie, ist seine Anwendung mehr und mehr umfangreich, kann sie verwendet werden, um kleine Schmutzpartikel zu säubern, und sie kann für Schweißensmetall oder -plastik auch verwendet werden. Besonders in den heutigen Plastikprodukten, wird Ultraschallschweißen größtenteils, weil die Schraubenstruktur ausgelassen wird, der Auftritt kann perfekter sein benutzt, und die Funktion der Imprägnierung und des Dustproofings wird auch zur Verfügung gestellt. Der Entwurf des Plastikschweißenshorns hat eine wichtige Auswirkung auf die abschließende Schweißensqualität und -Produktionskapazität. In der Produktion von neuen Stromzählern, werden Ultraschallwellen benutzt, um die oberen und untereren Gesichter zusammen zu fixieren. Jedoch während des Gebrauches, wird es gefunden, dass einige Hörner auf die Maschine installiert sind und geknackt und andere Ausfälle in Kürze auftreten. Irgendein Schweißenshorn die Defektrate ist hoch. Verschiedene Störungen haben eine beträchtliche Auswirkung auf Produktion gehabt. Entsprechend dem Verständnis haben Ausrüster die Fähigkeiten des begrenzten Entwurfs für Horn und durch wiederholte Reparaturen, zum von Entwurfsindikatoren häufig zu erzielen. Deshalb ist es notwendig, unsere eigenen technologischen Vorteile zu verwenden, um dauerhaftes Horn und eine angemessene Design-Methode zu entwickeln.

Ultraschallplastikprinzip des schweißens 2

Ultraschallplastikschweißen ist eine Verarbeitungsmethode, die die Kombination von Thermoplastikeen in der Hochfrequenzzwangserschütterung verwendet, und die Schweißensoberflächen reiben gegeneinander, um das lokale Hochtemperaturschmelzen zu produzieren. Um gute Ultraschallschweißensergebnisse zu erzielen, werden Ausrüstung, Materialien und Prozessparameter angefordert. Das folgende ist eine kurze Einleitung zu seinem Prinzip.

2,1 Ultraschallplastikschweißenssystem

Abbildung 1 ist ein schematischer Aufbau eines Schweißenssystems. Die elektrische Energie wird durch den Signalgenerator und den Endverstärker geführt, um ein wechselndes elektrisches Signal der Ultraschallfrequenz (> 20 kHz) zu produzieren die auf den Wandler zugetroffen wird (piezoelektrisches keramisches). Durch den Wandler wird die elektrische Energie die Energie des Körperschalls, und der Umfang des Körperschalls wird durch das Horn auf den passenden Arbeitsumfang justiert und dann übermittelt gleichmäßig dem Material in Verbindung mit ihm durch das Horn. Die Kontaktflächen der zwei Zusatzwerkstoffe werden Hochfrequenzzwangserschütterung unterworfen, und die Reibungshitze erzeugt das lokale Schmelzen der hohen Temperatur. Nachdem man abgekühlt ist werden die Materialien kombiniert, um Schweißen zu erzielen.

In einem Schweißenssystem ist die Signalquelle ein Stromkreisteil, das einen Endverstärkerstromkreis enthält, dessen Frequenzstabilität und Treibereigenschaften die Leistung der Maschine beeinflussen. Das Material ist ein thermoplastisches, und der Entwurf der gemeinsamen Oberfläche muss betrachten, wie man schnell Hitze und Dock erzeugt. Wandler, Hörner und Hörner können alle gelten als mechanische Strukturen für einfache Analyse der Koppelung ihrer Erschütterungen. Im Plastikschweißen wird Körperschall in Form von Längswellen übertragen. Wie man effektiv Energie überträgt und den Umfang ist die Hauptsache des Entwurfs justiert.

2.2horn

Das Horn dient als die Kontaktschnittstelle zwischen dem Ultraschallschweißgerät und dem Material. Seine Hauptfunktion ist, den Längskörperschall überzumitteln gleichmäßig und, der leistungsfähig durch das variator dem Material outputted ist. Das benutzte Material ist normalerweise Aluminiumlegierung der hohen Qualität oder sogar Titanlegierung. Weil der Entwurf des Plastiks viel ändert, ist der Auftritt sehr unterschiedlich, und das Horn muss dementsprechend ändern. Die Form der Aufspannfläche sollte mit dem Material gut aufeinander abgestimmt sein, damit, den Plastik beim Vibrieren nicht zu beschädigen; gleichzeitig sollte die feste Frequenz der erstrangigen Längserschütterung mit der Ausgangsfrequenz des Schweißgeräts koordiniert werden, andernfalls wird die Schwingungsenergie innerlich verbraucht. Wenn das Horn vibriert, tritt lokale Kerbwirkung auf. Wie man diese lokalen Strukturen ist auch eine Entwurfserwägung optimiert. Dieser Artikel erforscht, wie man ANSYS-Entwurfshorn anwendet, um Entwurfsparameter und -Fertigungstoleranzen zu optimieren.

schweißender Entwurf des Horns 3

Wie früher erwähnt, ist der Entwurf des Schweißenshorns ziemlich wichtig. Es gibt viele Ultraschallausrüster in China, die ihre eigenen Schweißenshörner produzieren, aber ein beträchtliches Teil von ihnen sind Nachahmungen, und dann trimmen sie ständig und prüfen. Durch diese wiederholte Anpassungsmethode wird die Koordination der Horn- und Ausrüstungsfrequenz erzielt. In diesem Papier kann die Finite-Element-Methode angewendet werden, um die Frequenz zu bestimmen, wenn man das Horn entwirft. Das HornTestergebnis und der EntwurfsFrequenzversatz sind nur 1%. Gleichzeitig stellt dieses Papier das Konzept von DFSS (Entwurf für sechs Sigma) vor um zu optimieren und robusten Entwurf des Horns. Das Konzept des Entwurfs 6-Sigma ist, die Stimme des Kunden im Designprozess für gerichteten Entwurf völlig zu sammeln; und Vorerwägung von möglichen Abweichungen im Produktionsverfahren, zu garantieren, dass die Qualität des Endprodukts innerhalb eines angemessenen Niveaus verteilt wird. Der Designprozess wird im Abbildung 2. gezeigt. Abfahrend von der Entwicklung der Entwurfsindikatoren, sind die Struktur und die Maße des Horns zuerst entsprechend der vorhandenen Erfahrung entworfen. Das parametrische Modell wird in ANSYS hergestellt, und dann wird das Modell durch die Methode des Simulationsexperiment-Entwurfs (DAMHIRSCHKUH) bestimmt. Wichtige Parameter, entsprechend den robusten Anforderungen, bestimmen den Wert und wenden dann die Methode des untergeordneten Problems an, um andere Parameter zu optimieren. Den Einfluss von Materialien und von Klimaparametern während der Fertigung und Gebrauch des Horns berücksichtigend, ist sie auch bei den Toleranzen entworfen worden, um die Bedingungen von Herstellungskosten zu erfüllen. Schließlich der Herstellungs-, Test- und Testtheorieentwurf und tatsächlicher Fehler, die Entwurfsindikatoren treffen, die geliefert werden. Die folgende schrittweise ausführliche Einführung.

3,1 geometrischer Formentwurf (ein parametrisches Modell festlegend)

Das Schweißenshorn entwerfend, zuerst bestimmt seine ungefähre geometrische Form und Struktur und stellt ein parametrisches Modell für folgende Analyse her. Abbildung 3 A) ist der Entwurf des allgemeinsten Schweißenshorns, in dem einige U-förmige Nuten in Richtung der Erschütterung auf einem Material von ungefähr würfelförmigem geöffnet sind. Die Gesamtausmasse sind die Längen der x-, y- und z-Richtungen, und die Seitenteilmaße X und Y sind im Allgemeinen mit der Größe des Werkstückes vergleichbar, das geschweißt wird. Die Länge von Z ist der halben Wellenlänge der Ultraschallwelle gleich, weil in der klassischen Erschütterungstheorie, die erstrangige axiale Frequenz des länglichen Gegenstandes durch seine Länge bestimmt wird, und die Halbwellenlänge wird genau mit der Frequenz der akustischen Welle zusammengebracht. Dieser Entwurf ist erweitert worden. Gebrauch, ist zur Verbreitung von Schallwellen nützlich. Der Zweck der U-förmigen Nut ist, den Verlust der seitlichen Erschütterung des Horns zu verringern. Die Position, die Größe und die Zahl sind entsprechend der Gesamtgröße des Horns entschlossen. Es kann gesehen werden, dass in diesem Entwurf, es weniger Parameter gibt, die frei reguliert werden können, also haben wir Verbesserungen auf dieser Basis gemacht. Abbildung 3 B) ist ein eben entworfenes Horn, das einen weiteren Größenparameter als der traditionelle Entwurf hat: der äußere Bogenradius R. darüber hinaus, die Nut wird auf der Aufspannfläche des Horns graviert, um mit der Oberfläche des Plastikwerkstückes zusammenzuarbeiten, das nützlich ist, Schwingungsenergie zu übertragen und das Werkstück vor Schaden zu schützen. Dieses Modell wird routinemäßig parametrisch in ANSYS und dann im Folgenden experimentellen Design modelliert.

3,2 DAMHIRSCHKUHexperimentelles design (Bestimmung von wichtigen Parametern)

DFSS wird geschaffen, um praktische Technikprobleme zu lösen. Es übt nicht Perfektion aus, aber ist effektiv und robust. Es stellt die Idee von 6-Sigma dar, nimmt den Hauptwiderspruch gefangen und verlässt „99,97%", beim Erfordern des Entwurfs, gegen Klimavariabilität ziemlich beständig zu sein. Deshalb vor der Herstellung der Zielparameteroptimierung, sollte es zuerst aussortiert werden, und die Größe, die einen wichtigen Einfluss auf die Struktur sollte vorgewählt werden hat und ihre Werte sollten entsprechend dem Robustheitsprinzip entschlossen sein.

3.2.1 DAMHIRSCHKUH-Parameter Einstellung und DAMHIRSCHKUH

Die Entwurfsparameter sind die Hornform und die Größenposition der U-förmigen Nut, etc., insgesamt acht. Der Zielparameter ist die erstrangige axiale Schwingungsfrequenz, weil er den größten Einfluss auf die Schweißung hat, und der Maximum starke Druck und der Unterschied bezüglich des Aufspannflächeumfanges sind als Zustandsvariablen begrenzt. Basiert auf Erfahrung, wird es angenommen, dass der Effekt der Parameter auf die Ergebnisse linear ist, also wird jeder Faktor nur auf zwei Niveaus, Hochs und Tiefs eingestellt. Die Liste von Parametern und von entsprechenden Namen ist wie folgt.

DAMHIRSCHKUH wird in ANSYS unter Verwendung des vorher hergestellten parametrischen Modells durchgeführt. Wegen der Software-Beschränkungen, Vollfaktor DAMHIRSCHKUH kann bis 7 Parameter nur verwenden, während das Modell 8 Parameter hat und Analyse ANSYSS von DAMHIRSCHKUH-Ergebnissen nicht so umfassend wie Sigma-Software des Fachmannes 6 ist und Interaktion nicht behandeln kann. Deshalb verwenden wir APDL, um eine DAMHIRSCHKUH-Schleife zu schreiben, um die Ergebnisse des Programms, und die Daten in Minitab dann zu setzen für Analyse zu berechnen und zu extrahieren.

3.2.2 Analyse von DAMHIRSCHKUH-Ergebnissen

Minitabs DAMHIRSCHKUH-Analyse wird im Abbildung 4 gezeigt und die Hauptbeeinflussungsfaktoranalyse und die Wechselwirkungsanalyse umfasst. Die Hauptbeeinflussungsfaktorenanalyse verwendet wird, um zu bestimmen, welche variablen Änderungen des Entwurfs eine größere Auswirkung auf die Zielvariable haben, dadurch anzeigt man, welche wichtige Entwurfsvariablen sind. Die Interaktion zwischen den Faktoren wird dann, um das Niveau der Faktoren zu bestimmen analysiert und den Grad der Koppelung zwischen den Entwurfsvariablen zu verringern. Vergleichen Sie den Grad der Änderung anderer Faktoren, wenn ein Entwurfsfaktor hoch oder niedrig ist. Entsprechend dem unabhängigen Axiom wird der optimale Entwurf nicht miteinander verbunden, also wählen Sie das Niveau, das weniger variabel ist.

Die Analyseergebnisse des Schweißenshorns in diesem Papier sind: die wichtigen Entwurfsparameter sind der äußere Bogenradius und die Schlitzbreite des Horns. Das Niveau beider Parameter ist „hoch“, d.h. nimmt der Radius einen größeren Wert in der DAMHIRSCHKUH, und die Nutbreite nimmt auch einen größeren Wert. Die wichtigen Parameter und ihre Werte waren entschlossen, und dann wurden einige andere Parameter verwendet, um den Entwurf in ANSYS zu optimieren, um die Hornfrequenz zu justieren, um die Arbeitsfrequenz des Schweißgeräts zusammenzubringen. Der Optimierungsprozeß ist wie folgt.

3,3 Zielparameteroptimierung (Hornfrequenz)

Die Parametereinstellungen der Entwurfsoptimierung sind denen der DAMHIRSCHKUH ähnlich. Der Unterschied ist, dass die Werte von zwei wichtigen Parametern bestimmt worden sind, und die anderen drei Parameter hängen mit den Materialeigenschaften zusammen, die als Geräusche angesehen werden und nicht optimiert werden können. Die restlichen drei Parameter, die justiert werden können, sind die axiale Position des Schlitzes, die Länge und die Hornbreite. Die Optimierung wendet das Näherungsverfahren des untergeordneten Problems in ANSYS an, das eine weit verbreitete Methode in den Technikproblemen ist, und der spezifische Prozess wird ausgelassen.

Er ist wert, den unter Verwendung der Frequenz zu merken, während die Zielvariable eine wenig Fähigkeit in Kraft erfordert. Weil es viele Entwurfsparameter und eine breite Palette der Veränderung gibt, sind die Erschütterungsmodi des Horns viele in der Frequenzinteressensphäre. Wenn das Ergebnis der Modalanalyse direkt verwendet wird, ist es schwierig, den erstrangigen axialen Modus zu finden, weil der modale Reihenfolge Interleaving möglicherweise auftritt, wenn die Parameter d.h. die Ordnungszahl der natürlichen Frequenz entsprechend den ursprünglichen Betriebsartenwechseln ändern. Deshalb nimmt dieses Papier die Modalanalyse zuerst an und wendet dann die modale Überlagerungsmethode an, um die Frequenzkurve zu erreichen. Indem es den Höchstwert der Frequenzkurve findet, kann es die entsprechende modale Frequenz sicherstellen. Dieses ist im Prozess der automatischen Optimierung sehr wichtig und beseitigt den Bedarf, die Modalität manuell zu bestimmen.

Nachdem die Optimierung abgeschlossen ist, kann die Entwurfsarbeitsfrequenz des Horns zur Zielfrequenz sehr nah sein, und der Fehler ist kleiner als der Toleranzwert, der in der Optimierung spezifiziert wird. An diesem Punkt ist der Hornentwurf im Allgemeinen entschlossen, gefolgt von den Fertigungstoleranzen für Szenenbild.

3,4 Toleranzentwurf

Der allgemeine strukturelle Entwurf ist abgeschlossene schließlich Entwurfsparameter sind bestimmt worden, aber für die Technik von Problemen, besonders wenn man die Kosten von Massenproduktion betrachtet, Toleranzentwurf ist wesentlich. Die Kosten der niedrigen Präzision werden auch verringert, aber die Fähigkeit, Entwurfsmetrik zu treffen erfordert statistische Berechnungen für quantitative Berechnungen. Das pds-Wahrscheinlichkeits-Konstruktionssystem in ANSYS kann das Verhältnis zwischen Entwurfsparametertoleranz und Zielparametertoleranz besser analysieren und kann komplette in Verbindung stehende Listendateien erzeugen.

3.4.1 PDS-Parametereinstellungen und -berechnungen

Entsprechend der DFSS-Idee sollte Toleranzanalyse an den wichtigen Entwurfsparametern durchgeführt werden, und andere allgemeine Toleranzen können empirisch bestimmt werden. Die Situation in diesem Papier ist ziemlich speziell, weil entsprechend der Fähigkeit der maschineller Bearbeitung, die Fertigungstoleranz von Parametern des geometrischen Entwurfs sehr klein ist, und hat geringe Wirkung auf die abschließende Hornfrequenz; während die Parameter von Rohstoffen groß unterschiedliches an den Lieferanten und der Preis von Rohstoffen liegen, macht mehr als 80% von Verarbeitungskosten des Horns aus. Deshalb ist es notwendig, einen angemessenen Toleranz-Bereich für die Materialeigenschaften einzustellen. Die relevanten Materialeigenschaften hier sind Dichte, Elastizitätsmodul und Schallgeschwindigkeit Wellenausbreitung.

Toleranzanalyse verwendet gelegentliche Monte Carlo Simulation in ANSYS, um die lateinische Hypercube-Methode zu probieren, weil sie die Verteilung von Probenahmepunkten mehr Uniform herstellen kann und angemessen, und erreicht bessere Wechselbeziehung durch weniger Punkte. Dieses Papier stellt 30 Punkte ein. Nehmen Sie, dass die Toleranzen der drei materiellen Parameter entsprechend dem Gauß verteilt werden, eine obere und unterere Grenze zuerst festgesetzt, und dann berechnet in ANSYS an.

3.4.2 Analyse von PDS-Ergebnissen

Durch die Berechnung von PDS, werden die variablen Werte des Ziels entsprechend 30 Probenahmepunkten gegeben. Die Verteilung der Zielvariablen ist unbekannt. Die Parameter werden wieder unter Verwendung Minitab-Software gepasst, und die Frequenz wird im Allgemeinen entsprechend dem Normalverteilungs verteilt. Dieses stellt die statistische Theorie der Toleranzanalyse sicher.

Die pds-Berechnung gibt eine passende Formel von der Entwurfsvariable zur Toleranzexpansion der Zielvariable: wo y die Zielvariable ist, ist x die Entwurfsvariable, ist c der Korrelationskoeffizient, und i ist die variable Zahl.

Entsprechend diesem kann die Zieltoleranz jeder Entwurfsvariable zugewiesen werden, um die Aufgabe des Toleranzentwurfs abzuschließen.

3,5 experimentelle Überprüfung

Das Vorderteil ist der Designprozess des gesamten Schweißenshorns. Nach der Fertigstellung werden die Rohstoffe entsprechend den materiellen Toleranzen gekauft, die durch den Entwurf erlaubt werden und dann an die Herstellung geliefert sind. Frequenz und modale Prüfung werden durchgeführt, nachdem die Herstellung abgeschlossen ist und die angewendete Prüfmethode die einfachste und effektivste Scharfschützeprüfmethode ist. Weil der beteiligteste Index die erstrangige axiale modale Frequenz ist, wird das Beschleunigungsmesser zur Aufspannfläche befestigt, und das andere Ende wird entlang der axialen Richtung geschlagen, und die tatsächliche Frequenz des Horns kann durch Spektralanalyse erreicht werden. Das Simulationsergebnis des Entwurfs ist 14925 Hz, ist das Testergebnis 14954 Hz, ist die Frequenzentschließung 16 Hz, und der maximale Fehler ist weniger als 1%. Es kann gesehen werden, dass die Genauigkeit der begrenzten Elementsimulation in der modalen Berechnung sehr hoch ist.

Nachdem man den experimentellen Test geführt hat, wird das Horn in Produktion und in Versammlung auf das Ultraschallschweißgerät gesetzt. Die Reaktionszustand ist gut. Die Arbeit ist für mehr als halbes Jahr stabil gewesen, und die Schweißensqualifikationsrate ist hoch, die die dreimonatige Nutzungsdauer überstiegen hat, die durch den Hersteller der allgemeinen Ausrüstung versprochen wird. Dieses zeigt, dass der Entwurf erfolgreich ist, und das Herstellungsverfahren ist nicht wiederholt und justierte, Einsparungszeit und Arbeitskräfte geändert worden.

Schlussfolgerung 4

Dieses Papier beginnt mit dem Prinzip des Ultraschallplastikschweißens, fasst tief den technischen Fokus des Schweißens und schlägt das Konzept des Entwurfes des neuen Horns vor. Verwenden Sie dann die starke Simulationsfunktion des begrenzten Elements, um den Entwurf konkret zu analysieren, und stellen Sie die Idee des Entwurfs 6-Sigma von DFSS, vor und steuern Sie die wichtigen Entwurfsparameter durch Analyse DES ANSYS-DAMHIRSCHKUH-experimentellen Designs und PDS-Toleranz, um robusten Entwurf zu erzielen. Schließlich wurde das Horn erfolgreich einmal hergestellt, und der Entwurf war durch den experimentellen Frequenztest und die Überprüfung der tatsächlichen Produktion angemessen. Er prüft auch, dass dieser Satz Design-Methoden durchführbar und effektiv ist.