Cara menggunakan optimasi parameter FEM ANSYS dan desain probabilitas tanduk las ultrasonik

Cara menggunakan optimasi parameter FEM ANSYS dan desain probabilitas tanduk las ultrasonik

Kata pengantar

Dengan perkembangan teknologi ultrasonik, aplikasinya semakin luas, dapat digunakan untuk membersihkan partikel kotoran kecil, dan juga dapat digunakan untuk mengelas logam atau plastik. Terutama dalam produk plastik saat ini, pengelasan ultrasonik banyak digunakan, karena struktur sekrup dihilangkan, penampilan bisa lebih sempurna, dan fungsi waterproofing dan dustproofing juga disediakan. Desain tanduk pengelasan plastik memiliki dampak penting pada kualitas pengelasan akhir dan kapasitas produksi. Dalam produksi meteran listrik baru, gelombang ultrasonik digunakan untuk menggabungkan bagian atas dan bawah secara bersamaan. Namun, selama penggunaan, ditemukan bahwa beberapa tanduk dipasang pada mesin dan retak dan kegagalan lainnya terjadi dalam waktu singkat. Beberapa pengelasan tanduk Tingkat cacat tinggi. Berbagai kesalahan telah berdampak besar pada produksi. Menurut pemahaman tersebut, pemasok peralatan memiliki kemampuan desain terbatas untuk klakson, dan seringkali melalui perbaikan berulang untuk mencapai indikator desain. Karena itu, perlu untuk menggunakan keunggulan teknologi kita sendiri untuk mengembangkan tanduk yang tahan lama dan metode desain yang masuk akal.

2 Prinsip pengelasan plastik ultrasonik

Pengelasan plastik ultrasonik adalah metode pemrosesan yang memanfaatkan kombinasi termoplastik dalam getaran paksa frekuensi tinggi, dan permukaan pengelasan saling bergesekan untuk menghasilkan peleburan suhu tinggi lokal. Untuk mencapai hasil pengelasan ultrasonik yang baik, peralatan, bahan dan parameter proses diperlukan. Berikut ini adalah pengantar singkat tentang prinsipnya.

2.1 Sistem pengelasan plastik ultrasonik

Gambar 1 adalah pandangan skematis dari sistem pengelasan. Energi listrik dilewatkan melalui generator sinyal dan power amplifier untuk menghasilkan sinyal listrik bergantian frekuensi ultrasonik (> 20 kHz) yang diterapkan pada transduser (piezoelektrik keramik). Melalui transduser, energi listrik menjadi energi getaran mekanis, dan amplitudo getaran mekanis disesuaikan oleh tanduk dengan amplitudo kerja yang sesuai, dan kemudian ditransmisikan secara seragam ke material yang bersentuhan dengan tanduk tersebut. Permukaan kontak dari kedua bahan pengelasan dikenakan getaran paksa frekuensi tinggi, dan panas gesekan menghasilkan peleburan suhu tinggi lokal. Setelah pendinginan, bahan digabungkan untuk mencapai pengelasan.

Dalam sistem pengelasan, sumber sinyal adalah bagian sirkuit yang berisi sirkuit penguat daya yang stabilitas frekuensi dan kemampuan penggeraknya mempengaruhi kinerja mesin. Bahannya adalah termoplastik, dan desain permukaan sambungan perlu mempertimbangkan cara cepat menghasilkan panas dan sandaran. Transduser, klakson dan klakson semuanya dapat dianggap sebagai struktur mekanis untuk memudahkan analisis penggandengan getarannya. Dalam pengelasan plastik, getaran mekanis ditransmisikan dalam bentuk gelombang longitudinal. Cara mentransfer energi secara efektif dan menyesuaikan amplitudo adalah titik utama desain.

2.2horn

Klakson berfungsi sebagai antarmuka kontak antara mesin las ultrasonik dan material. Fungsi utamanya adalah untuk mengirimkan getaran mekanis longitudinal yang dihasilkan oleh variator secara merata dan efisien ke material. Bahan yang digunakan biasanya paduan aluminium berkualitas tinggi atau bahkan paduan titanium. Karena desain bahan plastik banyak berubah, penampilannya sangat berbeda, dan klakson harus berubah. Bentuk permukaan kerja harus sesuai dengan bahan, agar tidak merusak plastik saat bergetar; pada saat yang sama, frekuensi solidit longitudinal orde pertama harus dikoordinasikan dengan frekuensi output dari mesin las, jika tidak energi getaran akan dikonsumsi secara internal. Ketika klakson bergetar, konsentrasi stres lokal terjadi. Cara mengoptimalkan struktur lokal ini juga menjadi pertimbangan desain. Artikel ini mengeksplorasi cara menerapkan tanduk desain ANSYS untuk mengoptimalkan parameter desain dan toleransi pabrikan.

3 desain tanduk pengelasan

Seperti disebutkan sebelumnya, desain tanduk pengelasan cukup penting. Ada banyak pemasok peralatan ultrasonik di China yang memproduksi tanduk pengelasan sendiri, tetapi sebagian besar dari mereka adalah tiruan, dan kemudian mereka terus-menerus memotong dan menguji. Melalui metode penyesuaian berulang ini, koordinasi frekuensi tanduk dan peralatan tercapai. Dalam tulisan ini, metode elemen hingga dapat digunakan untuk menentukan frekuensi saat mendesain klakson. Hasil tes tanduk dan kesalahan frekuensi desain hanya 1%. Pada saat yang sama, makalah ini memperkenalkan konsep DFSS (Design For Six Sigma) untuk mengoptimalkan dan desain yang kuat dari klakson. Konsep desain 6-Sigma adalah untuk sepenuhnya mengumpulkan suara pelanggan dalam proses desain untuk desain yang ditargetkan; dan pra-pertimbangan kemungkinan penyimpangan dalam proses produksi untuk memastikan bahwa kualitas produk akhir didistribusikan dalam tingkat yang wajar. Proses desain ditunjukkan pada Gambar 2. Mulai dari pengembangan indikator desain, struktur dan dimensi tanduk awalnya dirancang sesuai dengan pengalaman yang ada. Model parametrik dibuat dalam ANSYS, dan kemudian model ditentukan oleh metode desain eksperimen percobaan (DOE). Parameter penting, sesuai dengan persyaratan yang kuat, menentukan nilai, dan kemudian menggunakan metode sub-masalah untuk mengoptimalkan parameter lainnya. Mempertimbangkan pengaruh bahan dan parameter lingkungan selama pembuatan dan penggunaan tanduk, tanduk ini juga telah dirancang dengan toleransi untuk memenuhi persyaratan biaya produksi. Akhirnya, teori desain, pengujian dan pengujian serta kesalahan aktual, untuk memenuhi indikator desain yang disampaikan. Pendahuluan rinci langkah demi langkah berikut.

3.1 Desain bentuk geometris (membangun model parametrik)

Merancang tanduk pengelasan terlebih dahulu menentukan perkiraan bentuk dan struktur geometrisnya dan menetapkan model parametrik untuk analisis selanjutnya. Gambar 3 a) adalah desain tanduk pengelasan yang paling umum, di mana sejumlah alur berbentuk U dibuka dengan arah getaran pada bahan yang kira-kira berbentuk kubus. Dimensi keseluruhan adalah panjang arah X, Y, dan Z, dan dimensi lateral X dan Y umumnya sebanding dengan ukuran benda kerja yang dilas. Panjang Z sama dengan setengah panjang gelombang dari gelombang ultrasonik, karena dalam teori getaran klasik, frekuensi aksial orde pertama dari objek memanjang ditentukan oleh panjangnya, dan panjang setengah gelombang sama persis dengan akustik. frekuensi gelombang. Desain ini telah diperluas. Penggunaannya, bermanfaat untuk penyebaran gelombang suara. Tujuan dari alur berbentuk U adalah untuk mengurangi hilangnya getaran lateral tanduk. Posisi, ukuran dan jumlah ditentukan sesuai dengan ukuran keseluruhan tanduk. Dapat dilihat bahwa dalam desain ini, ada lebih sedikit parameter yang dapat diatur secara bebas, jadi kami telah melakukan perbaikan atas dasar ini. Gambar 3 b) adalah tanduk yang baru dirancang yang memiliki satu parameter ukuran lebih dari desain tradisional: jari-jari busur luar R. Selain itu, alur diukir pada permukaan kerja tanduk untuk bekerja sama dengan permukaan benda kerja plastik, yang bermanfaat untuk mengirimkan energi getaran dan melindungi benda kerja dari kerusakan. Model ini secara rutin dimodelkan secara parametrik dalam ANSYS, dan kemudian desain eksperimental berikutnya.

3,2 DOE desain eksperimental (penentuan parameter penting)

DFSS dibuat untuk memecahkan masalah teknik praktis. Itu tidak mengejar kesempurnaan, tetapi efektif dan kuat. Ini mewujudkan ide 6-Sigma, menangkap kontradiksi utama, dan meninggalkan "99,97%", sementara membutuhkan desain yang cukup tahan terhadap variabilitas lingkungan. Oleh karena itu, sebelum membuat optimasi parameter target, harus disaring terlebih dahulu, dan ukuran yang memiliki pengaruh penting pada struktur harus dipilih, dan nilainya harus ditentukan sesuai dengan prinsip ketahanan.

3.2.1 Pengaturan parameter DOE dan DOE

Parameter desain adalah bentuk tanduk dan posisi ukuran alur berbentuk U, dll, total delapan. Parameter target adalah frekuensi getaran aksial orde pertama karena memiliki pengaruh terbesar pada pengelasan, dan tegangan maksimum terkonsentrasi dan perbedaan amplitudo permukaan kerja terbatas sebagai variabel keadaan. Berdasarkan pengalaman, diasumsikan bahwa efek dari parameter pada hasil adalah linier, sehingga masing-masing faktor hanya diatur ke dua level, tinggi dan rendah. Daftar parameter dan nama yang sesuai adalah sebagai berikut.

DOE dilakukan di ANSYS menggunakan model parametrik yang telah ditetapkan sebelumnya. Karena keterbatasan perangkat lunak, DOE faktor-penuh hanya dapat menggunakan hingga 7 parameter, sedangkan model memiliki 8 parameter, dan analisis ANSYS tentang hasil DOE tidak selengkap perangkat lunak 6-sigma profesional, dan tidak dapat menangani interaksi. Oleh karena itu, kami menggunakan APDL untuk menulis loop DOE untuk menghitung dan mengekstrak hasil program, dan kemudian memasukkan data ke dalam Minitab untuk dianalisis.

3.2.2 Analisis hasil DOE

Analisis DOE Minitab ditunjukkan pada Gambar 4 dan mencakup analisis faktor-faktor utama yang memengaruhi dan analisis interaksi. Analisis faktor pengaruh utama digunakan untuk menentukan perubahan variabel desain mana yang memiliki dampak lebih besar pada variabel target, sehingga menunjukkan variabel desain penting. Interaksi antara faktor-faktor tersebut kemudian dianalisis untuk menentukan tingkat faktor dan untuk mengurangi tingkat pemasangan antara variabel desain. Bandingkan tingkat perubahan faktor lain ketika faktor desain tinggi atau rendah. Menurut aksioma independen, desain yang optimal tidak digabungkan satu sama lain, jadi pilih level yang kurang variabel.

Hasil analisis tanduk pengelasan dalam makalah ini adalah: parameter desain yang penting adalah jari-jari busur luar dan lebar slot tanduk. Tingkat kedua parameter adalah "tinggi", yaitu, jari-jari mengambil nilai yang lebih besar di DOE, dan lebar alur juga mengambil nilai yang lebih besar. Parameter penting dan nilainya ditentukan, dan kemudian beberapa parameter lain digunakan untuk mengoptimalkan desain di ANSYS untuk menyesuaikan frekuensi klakson agar sesuai dengan frekuensi pengoperasian mesin las. Proses optimasi adalah sebagai berikut.

3,3 Target parameter optimasi (frekuensi tanduk)

Pengaturan parameter optimasi desain mirip dengan DOE. Perbedaannya adalah bahwa nilai dua parameter penting telah ditentukan, dan tiga parameter lainnya terkait dengan sifat material, yang dianggap sebagai kebisingan dan tidak dapat dioptimalkan. Tiga parameter yang tersisa yang dapat disesuaikan adalah posisi aksial dari slot, panjang dan lebar tanduk. Optimasi menggunakan metode pendekatan subproblem di ANSYS, yang merupakan metode yang banyak digunakan dalam masalah teknik, dan proses spesifik dihilangkan.

Perlu dicatat bahwa menggunakan frekuensi sebagai variabel target memerlukan sedikit keterampilan dalam operasi. Karena ada banyak parameter desain dan variasi variasi yang luas, mode getaran klakson banyak dalam rentang frekuensi yang diinginkan. Jika hasil analisis modal langsung digunakan, sulit untuk menemukan mode aksial orde pertama, karena urutan modal interleaving dapat terjadi ketika parameter berubah, yaitu, frekuensi alami ordinal yang sesuai dengan perubahan mode asli. Oleh karena itu, makalah ini mengadopsi analisis modal terlebih dahulu, dan kemudian menggunakan metode modal superposisi untuk mendapatkan kurva respons frekuensi. Dengan menemukan nilai puncak dari kurva respons frekuensi, dapat memastikan frekuensi modal yang sesuai. Ini sangat penting dalam proses optimasi otomatis, menghilangkan kebutuhan untuk secara manual menentukan modalitas.

Setelah optimisasi selesai, frekuensi kerja desain klakson bisa sangat dekat dengan frekuensi target, dan kesalahan kurang dari nilai toleransi yang ditentukan dalam optimisasi. Pada titik ini, desain tanduk pada dasarnya ditentukan, diikuti oleh toleransi manufaktur untuk desain produksi.

3.4 Desain toleransi

Desain struktural umum selesai setelah semua parameter desain telah ditentukan, tetapi untuk masalah teknik, terutama ketika mempertimbangkan biaya produksi massal, desain toleransi sangat penting. Biaya presisi rendah juga berkurang, tetapi kemampuan untuk memenuhi metrik desain membutuhkan perhitungan statistik untuk perhitungan kuantitatif. Sistem Desain Probabilitas PDS di ANSYS dapat lebih menganalisis hubungan antara toleransi parameter desain dan toleransi parameter target, dan dapat menghasilkan file laporan terkait yang lengkap.

3.4.1 Pengaturan dan perhitungan parameter PDS

Menurut ide DFSS, analisis toleransi harus dilakukan pada parameter desain penting, dan toleransi umum lainnya dapat ditentukan secara empiris. Situasi dalam makalah ini cukup istimewa, karena sesuai dengan kemampuan permesinan, toleransi pembuatan parameter desain geometris sangat kecil, dan memiliki sedikit efek pada frekuensi tanduk akhir; sementara parameter bahan baku sangat berbeda karena pemasok, dan harga bahan baku menyumbang Lebih dari 80% dari biaya pemrosesan tanduk. Oleh karena itu, perlu untuk menetapkan rentang toleransi yang wajar untuk sifat material. Sifat material yang relevan di sini adalah kerapatan, modulus elastisitas, dan kecepatan rambat gelombang suara.

Analisis toleransi menggunakan simulasi Monte Carlo acak di ANSYS untuk sampel metode Latin Hypercube karena dapat membuat distribusi titik pengambilan sampel lebih seragam dan masuk akal, dan mendapatkan korelasi yang lebih baik dengan poin lebih sedikit. Makalah ini menetapkan 30 poin. Asumsikan bahwa toleransi dari tiga parameter material didistribusikan menurut Gauss, awalnya diberi batas atas dan bawah, dan kemudian dihitung dalam ANSYS.

3.4.2 Analisis hasil PDS

Melalui perhitungan PDS, nilai variabel target yang sesuai dengan 30 titik sampling diberikan. Distribusi variabel target tidak diketahui. Parameter dipasang lagi menggunakan perangkat lunak Minitab, dan frekuensi pada dasarnya didistribusikan sesuai dengan distribusi normal. Ini memastikan teori statistik dari analisis toleransi.

Perhitungan PDS memberikan formula yang cocok dari variabel desain ke ekspansi toleransi dari variabel target: di mana y adalah variabel target, x adalah variabel desain, c adalah koefisien korelasi, dan i adalah jumlah variabel.

Menurut ini, toleransi target dapat ditugaskan untuk setiap variabel desain untuk menyelesaikan tugas desain toleransi.

3.5 Verifikasi eksperimental

Bagian depan adalah proses desain seluruh tanduk pengelasan. Setelah selesai, bahan baku dibeli sesuai dengan toleransi bahan yang diizinkan oleh desain, dan kemudian dikirim ke pabrik. Pengujian frekuensi dan modal dilakukan setelah pembuatan selesai, dan metode pengujian yang digunakan adalah metode uji sniper paling sederhana dan paling efektif. Karena indeks yang paling diperhatikan adalah frekuensi modal aksial orde pertama, sensor akselerasi melekat pada permukaan kerja, dan ujung lainnya mengenai arah aksial, dan frekuensi aktual tanduk dapat diperoleh dengan analisis spektral. Hasil simulasi desain adalah 14925 Hz, hasil pengujian adalah 14954 Hz, resolusi frekuensi 16 Hz, dan kesalahan maksimum kurang dari 1%. Dapat dilihat bahwa keakuratan simulasi elemen hingga dalam perhitungan modal sangat tinggi.

Setelah melewati tes eksperimental, tanduk dimasukkan ke dalam produksi dan perakitan pada mesin las ultrasonik. Kondisi reaksinya bagus. Pekerjaan telah stabil selama lebih dari setengah tahun, dan tingkat kualifikasi pengelasan tinggi, yang telah melampaui masa kerja tiga bulan yang dijanjikan oleh produsen peralatan umum. Ini menunjukkan bahwa desainnya berhasil, dan proses pembuatannya belum berulang kali dimodifikasi dan disesuaikan, menghemat waktu dan tenaga.

4. Kesimpulan

Makalah ini dimulai dengan prinsip pengelasan plastik ultrasonik, sangat memahami fokus teknis pengelasan, dan mengusulkan konsep desain tanduk baru. Kemudian gunakan fungsi simulasi yang kuat dari elemen hingga untuk menganalisis desain secara konkret, dan memperkenalkan ide desain 6-Sigma DFSS, dan mengontrol parameter desain penting melalui desain eksperimental ANSYS DOE dan analisis toleransi PDS untuk mencapai desain yang kuat. Akhirnya, klakson berhasil dibuat sekali, dan desainnya masuk akal dengan uji frekuensi eksperimental dan verifikasi produksi aktual. Ini juga membuktikan bahwa rangkaian metode desain ini layak dan efektif.