أخبار

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

مقدمة

مع تطور تقنية الموجات فوق الصوتية ، أصبح تطبيقه أكثر شمولاً ، ويمكن استخدامه لتنظيف جزيئات الأوساخ الصغيرة ، ويمكن استخدامه أيضًا في لحام المعدن أو البلاستيك. خاصة في المنتجات البلاستيكية اليوم ، يتم استخدام اللحام بالموجات فوق الصوتية في الغالب ، نظرًا لحذف هيكل اللولب ، ويمكن أن يكون المظهر أكثر كمالًا ، كما يتم توفير وظيفة العزل المائي والغبار. تصميم بوق اللحام البلاستيكي له تأثير مهم على جودة اللحام النهائي والقدرة الإنتاجية. في إنتاج عدادات كهربائية جديدة ، يتم استخدام الموجات فوق الصوتية لدمج الوجهين العلوي والسفلي معًا. ومع ذلك ، أثناء الاستخدام ، وجد أن بعض الأبواق مثبتة على الجهاز وتتصدع وتحدث حالات فشل أخرى في فترة زمنية قصيرة. بعض بوق اللحام معدل الخلل مرتفع. كان للأعطال المختلفة تأثير كبير على الإنتاج. وفقًا للفهم ، فإن موردي المعدات لديهم قدرات تصميم محدودة للبوق ، وغالبًا من خلال الإصلاحات المتكررة لتحقيق مؤشرات التصميم. لذلك ، من الضروري استخدام المزايا التكنولوجية الخاصة بنا لتطوير بوق متين وطريقة تصميم معقولة.

2 مبدأ لحام البلاستيك بالموجات فوق الصوتية

لحام البلاستيك بالموجات فوق الصوتية هو طريقة معالجة تستخدم مزيجًا من اللدائن الحرارية في الاهتزاز القسري عالي التردد ، وتحتك أسطح اللحام ببعضها البعض لإنتاج ذوبان محلي بدرجة حرارة عالية. من أجل تحقيق نتائج لحام بالموجات فوق الصوتية جيدة ، يلزم وجود معدات ومواد ومعاملات عملية. فيما يلي مقدمة موجزة لمبدأها.

2.1 نظام لحام البلاستيك بالموجات فوق الصوتية

الشكل 1 عبارة عن عرض تخطيطي لنظام اللحام. يتم تمرير الطاقة الكهربائية من خلال مولد الإشارة ومضخم الطاقة لإنتاج إشارة كهربائية متناوبة للتردد فوق الصوتي (> 20 كيلو هرتز) يتم تطبيقها على محول الطاقة (السيراميك الكهرضغطية). من خلال محول الطاقة ، تصبح الطاقة الكهربائية هي طاقة الاهتزاز الميكانيكي ، ويتم تعديل سعة الاهتزاز الميكانيكي بواسطة القرن إلى سعة العمل المناسبة ، ثم تنتقل بشكل موحد إلى المادة التي تلامسها من خلال القرن. تتعرض الأسطح الملامسة لمواد اللحام للاهتزاز القسري عالي التردد ، وتولد حرارة الاحتكاك ذوبانًا محليًا بدرجة حرارة عالية. بعد التبريد ، يتم دمج المواد لتحقيق اللحام.

في نظام اللحام ، يكون مصدر الإشارة عبارة عن جزء من الدائرة يحتوي على دائرة مضخم طاقة يؤثر استقرار التردد وقدرة القيادة على أداء الجهاز. المادة عبارة عن لدائن حرارية ، ويحتاج تصميم سطح المفصل إلى التفكير في كيفية توليد الحرارة والالتحام بسرعة. يمكن اعتبار جميع المحولات والأبواق والأبواق هياكل ميكانيكية لسهولة تحليل اقتران اهتزازاتها. في اللحام البلاستيكي ، ينتقل الاهتزاز الميكانيكي على شكل موجات طولية. كيفية نقل الطاقة بشكل فعال وضبط السعة هي النقطة الرئيسية للتصميم.

2.2 قرن

يعمل البوق كواجهة اتصال بين آلة اللحام بالموجات فوق الصوتية والمواد. وتتمثل مهمتها الرئيسية في نقل الاهتزاز الميكانيكي الطولي الناتج عن المتغير بالتساوي والكفاءة إلى المادة. عادة ما تكون المواد المستخدمة عبارة عن سبائك الألومنيوم عالية الجودة أو حتى سبائك التيتانيوم. نظرًا لأن تصميم المواد البلاستيكية يتغير كثيرًا ، فإن المظهر مختلف تمامًا ، ويجب أن يتغير القرن وفقًا لذلك. يجب أن يتطابق شكل سطح العمل جيدًا مع المادة ، حتى لا يتلف البلاستيك عند الاهتزاز ؛ في نفس الوقت ، يجب تنسيق التردد الصلب للاهتزاز الطولي من الدرجة الأولى مع تردد الإخراج لآلة اللحام ، وإلا سيتم استهلاك طاقة الاهتزاز داخليًا. عندما يهتز القرن ، يحدث تركيز الإجهاد المحلي. كيفية تحسين هذه الهياكل المحلية هي أيضًا اعتبار للتصميم. تستكشف هذه المقالة كيفية تطبيق بوق تصميم ANSYS لتحسين معايير التصميم والتفاوتات التصنيعية.

3 تصميم بوق اللحام

كما ذكرنا سابقًا ، فإن تصميم بوق اللحام مهم جدًا. هناك العديد من موردي معدات الموجات فوق الصوتية في الصين الذين ينتجون أبواق اللحام الخاصة بهم ، ولكن جزءًا كبيرًا منهم من التقليد ، ومن ثم يقومون بالقص والاختبار باستمرار. من خلال طريقة الضبط المتكرر هذه ، يتم تحقيق تنسيق تردد البوق والمعدات. في هذا البحث ، يمكن استخدام طريقة العناصر المحدودة لتحديد التردد عند تصميم البوق. نتيجة اختبار البوق وخطأ تردد التصميم هي 1٪ فقط. في الوقت نفسه ، تقدم هذه الورقة مفهوم DFSS (Design For Six Sigma) لتحسين تصميم البوق وقوته. يتمثل مفهوم تصميم 6-Sigma في جمع صوت العميل بالكامل في عملية التصميم للتصميم المستهدف ؛ والمراعاة المسبقة للانحرافات المحتملة في عملية الإنتاج لضمان توزيع جودة المنتج النهائي ضمن مستوى معقول. تظهر عملية التصميم في الشكل 2. بدءًا من تطوير مؤشرات التصميم ، تم تصميم هيكل وأبعاد القرن في البداية وفقًا للتجربة الحالية. تم إنشاء النموذج المعياري في ANSYS ، ثم يتم تحديد النموذج بطريقة تصميم تجربة المحاكاة (DOE). تحدد المعلمات المهمة ، وفقًا للمتطلبات القوية ، القيمة ، ثم استخدم طريقة المشكلة الفرعية لتحسين المعلمات الأخرى. مع الأخذ في الاعتبار تأثير المواد والمعايير البيئية أثناء تصنيع واستخدام القرن ، فقد تم تصميمه أيضًا مع تفاوتات لتلبية متطلبات تكاليف التصنيع. أخيرًا ، تصميم نظرية التصنيع والاختبار والاختبار والخطأ الفعلي ، لتلبية مؤشرات التصميم التي يتم تسليمها. المقدمة التفصيلية التالية خطوة بخطوة.

20200117113651_36685

3.1 تصميم الشكل الهندسي (إنشاء نموذج حدودي)

يحدد تصميم بوق اللحام أولاً شكله الهندسي التقريبي وهيكله ويضع نموذجًا حدوديًا للتحليل اللاحق. الشكل 3 أ) هو تصميم قرن اللحام الأكثر شيوعًا ، حيث يتم فتح عدد من الأخاديد على شكل حرف U في اتجاه الاهتزاز على مادة شبه متوازية تقريبًا. الأبعاد الكلية هي أطوال اتجاهات X و Y و Z ، والأبعاد الجانبية X و Y قابلة للمقارنة عمومًا بحجم قطعة العمل التي يتم لحامها. طول Z يساوي نصف الطول الموجي للموجة فوق الصوتية ، لأنه في نظرية الاهتزاز الكلاسيكية ، يتم تحديد التردد المحوري من الدرجة الأولى للكائن الممدود من خلال طوله ، وطول نصف الموجة مطابق تمامًا للموجة الصوتية تردد الموجة. تم تمديد هذا التصميم. استخدام مفيد لانتشار الموجات الصوتية. الغرض من الأخدود على شكل حرف U هو تقليل فقد الاهتزاز الجانبي للقرن. يتم تحديد الموضع والحجم والعدد وفقًا للحجم الكلي للبوق. يمكن ملاحظة أنه في هذا التصميم ، يوجد عدد أقل من المعلمات التي يمكن تنظيمها بحرية ، لذلك قمنا بإجراء تحسينات على هذا الأساس. الشكل 3 ب) عبارة عن بوق مصمم حديثًا يحتوي على معلمة حجم واحدة أكثر من التصميم التقليدي: نصف قطر القوس الخارجي R. بالإضافة إلى ذلك ، تم نقش الأخدود على سطح عمل البوق للتعاون مع سطح قطعة العمل البلاستيكية ، وهو أمر مفيد لنقل طاقة الاهتزاز وحماية قطعة العمل من التلف. تم تصميم هذا النموذج بشكل روتيني في ANSYS ، ثم التصميم التجريبي التالي.

3.2 التصميم التجريبي لوزارة الطاقة (تحديد المعلمات المهمة)

تم إنشاء DFSS لحل المشاكل الهندسية العملية. إنه لا يسعى إلى الكمال ، ولكنه فعال وقوي. إنه يجسد فكرة 6-Sigma ، ويلتقط التناقض الرئيسي ، ويتخلى عن "99.97٪" ، بينما يتطلب أن يكون التصميم مقاومًا تمامًا للتغيرات البيئية. لذلك ، قبل إجراء تحسين المعلمة المستهدفة ، يجب فحصها أولاً ، ويجب تحديد الحجم الذي له تأثير مهم على الهيكل ، ويجب تحديد قيمها وفقًا لمبدأ المتانة.

3.2.1 إعداد معلمات وزارة الطاقة ووزارة الطاقة

معلمات التصميم هي شكل القرن وموضع حجم الأخدود على شكل حرف U ، وما إلى ذلك ، ما مجموعه ثمانية. المعلمة المستهدفة هي تردد الاهتزاز المحوري من الدرجة الأولى لأن لها أكبر تأثير على اللحام ، والحد الأقصى للضغط المركّز والفرق في سعة سطح العمل محدودان كمتغيرات الحالة. بناءً على التجربة ، يُفترض أن تأثير المعلمات على النتائج خطي ، لذلك يتم تعيين كل عامل على مستويين فقط ، مرتفع ومنخفض. قائمة المعلمات والأسماء المقابلة هي كما يلي.

يتم تنفيذ وزارة الطاقة في ANSYS باستخدام النموذج البارامترى المحدد مسبقًا. نظرًا لقيود البرامج ، يمكن لإدارة الطاقة الكاملة استخدام ما يصل إلى 7 معلمات فقط ، بينما يحتوي النموذج على 8 معلمات ، كما أن تحليل ANSYS لنتائج وزارة الطاقة ليس شاملاً مثل برنامج 6 سيجما الاحترافي ، ولا يمكنه التعامل مع التفاعل. لذلك ، نستخدم APDL لكتابة حلقة DOE لحساب واستخراج نتائج البرنامج ، ثم نضع البيانات في Minitab للتحليل.

3.2.2 تحليل نتائج وزارة الطاقة

يظهر تحليل وزارة الطاقة لبرنامج Minitab في الشكل 4 ويتضمن تحليل العوامل المؤثرة الرئيسية وتحليل التفاعل. يتم استخدام تحليل العوامل المؤثرة الرئيسية لتحديد تغييرات متغيرات التصميم التي لها تأثير أكبر على المتغير المستهدف ، مما يشير إلى متغيرات التصميم المهمة. ثم يتم تحليل التفاعل بين العوامل لتحديد مستوى العوامل ولتقليل درجة الاقتران بين متغيرات التصميم. قارن درجة تغير العوامل الأخرى عندما يكون عامل التصميم مرتفعًا أو منخفضًا. وفقًا للبديهية المستقلة ، لا يقترن التصميم الأمثل ببعضهما البعض ، لذا اختر المستوى الأقل تغيرًا.

نتائج تحليل قرن اللحام في هذه الورقة هي: معلمات التصميم المهمة هي نصف قطر القوس الخارجي وعرض فتحة البوق. مستوى كل من المعلمتين "مرتفع" ، أي أن نصف القطر يأخذ قيمة أكبر في وزارة الطاقة ، كما يأخذ عرض الأخدود قيمة أكبر. تم تحديد المعلمات المهمة وقيمها ، ثم تم استخدام العديد من المعلمات الأخرى لتحسين التصميم في ANSYS لضبط تردد البوق لتتناسب مع تردد التشغيل لآلة اللحام. عملية التحسين على النحو التالي.

3.3 تحسين المعلمة المستهدفة (تردد البوق)

تتشابه إعدادات معلمات تحسين التصميم مع تلك الخاصة بـ DOE. الاختلاف هو أنه تم تحديد قيم معلمتين مهمتين ، وترتبط المعلمات الثلاثة الأخرى بخصائص المواد ، والتي تعتبر ضوضاء ولا يمكن تحسينها. المعلمات الثلاثة المتبقية التي يمكن تعديلها هي الموضع المحوري للفتحة والطول وعرض البوق. يستخدم التحسين طريقة تقريب المشكلة الفرعية في ANSYS ، وهي طريقة مستخدمة على نطاق واسع في المشكلات الهندسية ، ويتم حذف العملية المحددة.

تجدر الإشارة إلى أن استخدام التردد كمتغير مستهدف يتطلب مهارة قليلة في التشغيل. نظرًا لوجود العديد من معلمات التصميم ونطاق واسع من التباين ، فإن أوضاع اهتزاز البوق كثيرة في نطاق التردد المطلوب. إذا تم استخدام نتيجة التحليل النموذجي بشكل مباشر ، فمن الصعب العثور على الوضع المحوري من الدرجة الأولى ، لأن تشذير التسلسل الشرطي قد يحدث عندما تتغير المعلمات ، أي التردد الطبيعي المقابل لتغيير الوضع الأصلي. لذلك ، يتبنى هذا البحث التحليل النمطي أولاً ، ثم يستخدم طريقة التراكب النمطي للحصول على منحنى استجابة التردد. من خلال إيجاد قيمة الذروة لمنحنى استجابة التردد ، يمكن أن يضمن التردد المشروط المقابل. هذا مهم جدًا في عملية التحسين التلقائي ، مما يلغي الحاجة إلى تحديد الطريقة يدويًا.

بعد اكتمال التحسين ، يمكن أن يكون تردد عمل التصميم للبوق قريبًا جدًا من التردد المستهدف ، ويكون الخطأ أقل من قيمة التسامح المحددة في التحسين. في هذه المرحلة ، يتم تحديد تصميم البوق بشكل أساسي ، متبوعًا بتفاوتات التصنيع لتصميم الإنتاج.

20200117113652_29938

3.4 تصميم التسامح

يتم الانتهاء من التصميم الإنشائي العام بعد تحديد جميع معايير التصميم ، ولكن بالنسبة للمشاكل الهندسية ، خاصة عند النظر في تكلفة الإنتاج الضخم ، يعد تصميم التسامح ضروريًا. يتم أيضًا تقليل تكلفة الدقة المنخفضة ، لكن القدرة على تلبية مقاييس التصميم تتطلب حسابات إحصائية للحسابات الكمية. يمكن لنظام التصميم الاحتمالي PDS في ANSYS أن يحلل بشكل أفضل العلاقة بين تحمل معلمة التصميم وتحمل المعلمة المستهدفة ، ويمكنه إنشاء ملفات تقارير كاملة ذات صلة.

3.4.1 إعدادات وحسابات معلمات نظام التوزيع العام

وفقًا لفكرة DFSS ، يجب إجراء تحليل التسامح على معلمات التصميم المهمة ، ويمكن تحديد التفاوتات العامة الأخرى بشكل تجريبي. الوضع في هذه الورقة خاص جدًا ، لأنه وفقًا لقدرة المعالجة ، فإن تحمل التصنيع لمعلمات التصميم الهندسي صغير جدًا ، وله تأثير ضئيل على تردد البوق النهائي ؛ بينما تختلف معايير المواد الخام اختلافًا كبيرًا بسبب الموردين ، ويشكل سعر المواد الخام أكثر من 80٪ من تكاليف معالجة البوق. لذلك ، من الضروري تعيين نطاق تفاوت معقول لخصائص المواد. خصائص المواد ذات الصلة هنا هي الكثافة ومعامل المرونة وسرعة انتشار الموجة الصوتية.

يستخدم تحليل التسامح محاكاة عشوائية مونت كارلو في ANSYS لتجربة طريقة Hypercube اللاتينية لأنها يمكن أن تجعل توزيع نقاط أخذ العينات أكثر اتساقًا ومعقولًا ، والحصول على ارتباط أفضل بنقاط أقل. تحدد هذه الورقة 30 نقطة. افترض أن التفاوتات في معاملات المواد الثلاثة موزعة وفقًا لـ Gauss ، مع إعطاء حد أعلى وأدنى في البداية ، ثم يتم حسابها في ANSYS.

3.4.2 تحليل نتائج نظام التوزيع العام

من خلال حساب PDS ، يتم إعطاء القيم المتغيرة المستهدفة المقابلة لـ 30 نقطة أخذ العينات. توزيع المتغيرات المستهدفة غير معروف. يتم تثبيت المعلمات مرة أخرى باستخدام برنامج Minitab ، ويتم توزيع التردد بشكل أساسي وفقًا للتوزيع الطبيعي. هذا يضمن النظرية الإحصائية لتحليل التسامح.

يعطي حساب PDS صيغة ملائمة من متغير التصميم إلى توسيع التسامح للمتغير المستهدف: حيث y هو المتغير المستهدف ، x هو متغير التصميم ، c هو معامل الارتباط ، و i هو الرقم المتغير.

وفقًا لذلك ، يمكن تعيين التسامح المستهدف لكل متغير تصميم لإكمال مهمة تصميم التسامح.

3.5 التحقق التجريبي

الجزء الأمامي هو عملية تصميم قرن اللحام بالكامل. بعد الانتهاء ، يتم شراء المواد الخام وفقًا لتفاوتات المواد المسموح بها في التصميم ، ثم يتم تسليمها إلى التصنيع. يتم إجراء اختبار التردد والشكل بعد اكتمال التصنيع ، وطريقة الاختبار المستخدمة هي أبسط طرق اختبار القناصة وأكثرها فعالية. نظرًا لأن المؤشر الأكثر أهمية هو التردد المحوري المحوري من الدرجة الأولى ، يتم توصيل مستشعر التسارع بسطح العمل ، ويتم ضرب الطرف الآخر على طول الاتجاه المحوري ، ويمكن الحصول على التردد الفعلي للقرن عن طريق التحليل الطيفي. نتيجة المحاكاة للتصميم هي 14925 هرتز ، وكانت نتيجة الاختبار 14954 هرتز ، ودقة التردد 16 هرتز ، وأقصى خطأ أقل من 1٪. يمكن ملاحظة أن دقة محاكاة العناصر المحدودة في حساب الوسائط عالية جدًا.

بعد اجتياز الاختبار التجريبي ، يتم وضع البوق في الإنتاج والتجميع على آلة اللحام بالموجات فوق الصوتية. حالة رد الفعل جيدة. كان العمل مستقرًا لأكثر من نصف عام ، ومعدل تأهيل اللحام مرتفع ، والذي تجاوز عمر الخدمة لمدة ثلاثة أشهر الذي وعدت به الشركة المصنعة للمعدات العامة. هذا يدل على أن التصميم ناجح ، ولم يتم تعديل وتعديل عملية التصنيع بشكل متكرر ، مما يوفر الوقت والقوى العاملة.

4. الخلاصة

يبدأ هذا البحث بمبدأ اللحام البلاستيكي بالموجات فوق الصوتية ، ويستوعب بعمق التركيز الفني للحام ، ويقترح مفهوم تصميم القرن الجديد. ثم استخدم وظيفة المحاكاة القوية للعنصر المحدود لتحليل التصميم بشكل ملموس ، وتقديم فكرة تصميم 6-Sigma لـ DFSS ، والتحكم في معلمات التصميم المهمة من خلال تصميم ANSYS DOE التجريبي وتحليل تحمل PDS لتحقيق تصميم قوي. أخيرًا ، تم تصنيع البوق بنجاح مرة واحدة ، وكان التصميم معقولًا من خلال اختبار التردد التجريبي والتحقق الفعلي من الإنتاج. كما أنه يثبت أن هذه المجموعة من أساليب التصميم مجدية وفعالة.


الوقت ما بعد: نوفمبر 04-2020