жаңылыктар

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Алдыңкы сөз

УЗИ технологиясынын өнүгүшү менен, анын колдонулушу барган сайын кеңейип, ал майда кир бөлүкчөлөрүн тазалоодо, ошондой эле металл же пластик ширетүүдө колдонулушу мүмкүн. Айрыкча, бүгүнкү күндөгү пластмасса буюмдарында ультраүн ширетүүчү ширетүү колдонулат, анткени бурама структурасы алынып салынган, сырткы көрүнүшү дагы мыкты болушу мүмкүн, ошондой эле гидроизоляция жана чаң өткөрбөө функциясы да каралган. Пластикалык ширетүүчү мүйүздүн дизайны акыркы ширетүү сапатына жана өндүрүш кубаттуулугуна маанилүү таасирин тийгизет. Жаңы электр эсептегичтерин чыгарууда ультраүн толкундары жогорку жана төмөнкү беттерди бириктирүү үчүн колдонулат. Бирок, колдонууда, айрым мүйүздөр станокко орнотулуп, жарака кеткени жана кыска мөөнөттүн ичинде башка иштен чыккандыгы аныкталды. Айрым ширетүүчү мүйүз Мүчүлүштүктөрдүн деңгээли жогору. Ар кандай кемчиликтер өндүрүшкө олуттуу таасирин тийгизди. Түшүнүүгө ылайык, жабдууларды берүүчүлөр мүйүздүн долбоорлоо мүмкүнчүлүктөрүнө ээ эмес, жана көп учурда долбоордук көрсөткүчтөргө жетишүү үчүн бир нече жолу оңдоп-түзөө аркылуу. Демек, бышык мүйүздү жана акылга сыярлык долбоорлоо ыкмасын иштеп чыгуу үчүн өзүбүздүн технологиялык артыкчылыктарыбызды колдонуу зарыл.

2 Ультраүн пластикалык ширетүү принциби

Ультраүн пластикалык ширетүү - бул термопластиканын жогорку жыштыктагы мажбурлап титирөөдө айкалышын колдонгон иштетүү ыкмасы жана ширетүүчү беттер бири-бирине сүрүлүп, жергиликтүү жогорку температурада эрийт. УЗИде жакшы ширетүү натыйжаларына жетүү үчүн, жабдуулар, материалдар жана процесстин параметрлери талап кылынат. Төмөндө анын принципине кыскача киришүү келтирилген.

2.1 Ультраүн пластикалык ширетүү тутуму

1-сүрөт - ширетүү тутумунун схемалык көрүнүшү. Электр энергиясы сигнал генераторунан жана кубаттуулук күчөткүчүнөн өткөрүлүп, өзгөрткүчкө (пьезоэлектрикалык керамика) колдонулуучу ультрадыбыстық жыштыктын (> 20 кГц) өзгөрмө электрдик сигналын пайда кылат. Өткөргүч аркылуу электр энергиясы механикалык термелүүнүн энергиясына айланат, ал эми механикалык термелүүнүн амплитудасы мүйүз аркылуу тиешелүү жумушчу амплитудасына чейин жөнгө салынат, андан кийин мүйүз аркылуу аны менен байланышкан материалга бирдей берилет. Эки ширетүүчү материалдын контакт беттери жогорку жыштыктагы мажбурланган дирилдөөгө дуушар болушат жана сүрүлүү жылуулугу жергиликтүү жогорку температурада эрийт. Муздагандан кийин, ширетүүгө жетишүү үчүн материалдар бириктирилет.

Ширетүү тутумунда сигнал булагы - бул жыштыктын туруктуулугу жана кыймылдаткыч жөндөмү машинанын ишине таасир этүүчү күчөткүч чынжырын камтыган чынжыр бөлүгү. Материал термопластикалык болуп саналат жана муундардын бетинин дизайны жылуулукту жана докту кантип тез пайда кылууну карап чыгышы керек. Өзгөрткүчтөрдү, мүйүздөрдү жана мүйүздөрдү алардын термелүүсүнүн кошулушун оңой анализдөө үчүн механикалык түзүлүш деп эсептесе болот. Пластикалык ширетүүдө механикалык дирилдөө узунунан толкун түрүндө берилет. Энергияны кандайча эффективдүү өткөрүп берүү жана амплитудасын жөндөө - бул дизайндын негизги пункту.

2.2horn

Мүйүз ультрадыбыстық ширетүүчү аппарат менен материалдын ортосундагы байланыш интерфейси катары кызмат кылат. Анын негизги милдети - вариатор чыгарган узунунан чыккан механикалык термелүүнү материалга бирдей жана натыйжалуу берүү. Колдонулган материал, адатта, жогорку сапаттагы алюминий эритмеси же ал тургай, титан эритмеси болуп саналат. Пластикалык материалдардын жасалгасы бир топ өзгөргөндүктөн, сырткы көрүнүшү такыр башкача болуп, ошого жараша мүйүз дагы өзгөрүшү керек. Жумушчу беттин формасы материал менен жакшы айкалыштырылышы керек, анткени термелгенде пластикке доо кетпейт; ошол эле учурда, биринчи тартиптеги узунунан вибрация катуу жыштыгын ширетүүчү машинанын чыгуу жыштыгы менен макулдашуу керек, антпесе термелүү энергиясы ички керектелет. Мүйүз титирегенде, жергиликтүү стресс концентрациясы пайда болот. Бул жергиликтүү структураларды кантип оптималдаштыруу керек, бул дагы долбоорду карап чыгуу. Бул макалада ANSYS дизайн мүйүзүн долбоорлоо параметрлерин жана өндүрүштүк толеранттуулукту оптималдаштыруу үчүн кантип колдонуу керектиги каралат.

3 ширетүүчү мүйүздүн дизайны

Жогоруда айтылгандай, ширетүүчү мүйүздүн дизайны өтө маанилүү. Кытайда өзүлөрүнүн ширетүүчү мүйүздөрүн чыгарган көптөгөн УЗИ жабдуулары бар, бирок алардын көпчүлүгү имитациялар, андан кийин алар үзгүлтүксүз кыркылып, сыноодон өтүп турушат. Ушул кайталап жөндөө ыкмасы аркылуу мүйүз жана шаймандардын жыштыгын координациялоого жетишилет. Бул эмгекте мүйүздү долбоорлоодо жыштыкты аныктоодо чектелген элементтик ыкманы колдонсо болот. Мүйүз тестинин натыйжасы жана дизайндагы жыштык катасы 1% гана түзөт. Ошол эле учурда, бул документте мүйүздүн оптималдаштырылышы жана бекем дизайны үчүн DFSS (Design For Six Sigma) түшүнүгү киргизилген. 6-Sigma дизайнынын концепциясы максаттуу дизайн үчүн кардарлардын үнүн долбоорлоо процессинде толугу менен чогултуу; жана акыркы өнүмдүн сапатын акылга сыярлык деңгээлде бөлүштүрүүнү камсыз кылуу үчүн өндүрүш процессиндеги мүмкүн болгон четтөөлөрдү алдын-ала карап чыгуу. Дизайн процесси 2-сүрөттө көрсөтүлгөн. Дизайндык көрсөткүчтөрдү иштеп чыгуудан тартып, мүйүздүн түзүлүшү жана өлчөмдөрү алгач болгон тажрыйбага ылайык иштелип чыккан. Параметрдик модель ANSYSте орнотулуп, андан кийин модель симуляциялык экспериментти иштеп чыгуу (DOE) ыкмасы менен аныкталат. Маанилүү параметрлер, туруктуу талаптарга ылайык, маанини аныктап, андан кийин башка параметрлерди оптималдаштыруу үчүн кошумча көйгөй методун колдонушат. Мүйүздү жасоодо жана колдонууда материалдардын жана айлана-чөйрөнүн параметрлеринин таасирин эске алуу менен, ал өндүрүштүк чыгымдардын талаптарын канааттандыруу үчүн толеранттуулук менен иштелип чыккан. Акыр-аягы, өндүрүү, сыноо жана сыноо теориясынын дизайны жана иш жүзүндө кетирилген ката, жеткирилген дизайн индикаторлоруна жооп берүү үчүн. Төмөнкү этап-этабы менен толук тааныштыруу.

20200117113651_36685

3.1 Геометриялык форманын дизайны (параметрдик моделди белгилөө)

Ширетүүчү мүйүздү долбоорлоо алгач анын болжолдуу геометриялык формасын жана түзүлүшүн аныктайт жана кийинки талдоо үчүн параметрдик моделин орнотот. 3-а-сүрөт - бул кеңири тараган ширетүүчү мүйүздүн дизайны, анда болжол менен кубоиддик материалда титирөө багытында бир нече U формасындагы оюктар ачылат. Жалпы өлчөмдөр X, Y жана Z багыттарынын узундугу, ал эми X жана Y каптал өлчөмдөрү жалпысынан ширетилип жаткан бөлүктүн көлөмү менен салыштырууга болот. Z узундугу ультраүн толкунунун жарым толкун узундугуна барабар, анткени классикалык титирөө теориясында узарган нерсенин биринчи иреттүү октук жыштыгы анын узундугу менен аныкталат, ал эми жарым толкун узундугу акустикалык так дал келет толкун жыштыгы. Бул дизайн кеңейтилген. Колдонуу, үн толкундарынын жайылышына пайдалуу. U-формасындагы оюктун максаты - мүйүздүн каптал термелүүсүнүн жоготулушун азайтуу. Орду, көлөмү жана саны мүйүздүн жалпы көлөмүнө жараша аныкталат. Бул долбоордо эркин жөнгө салынуучу параметрлер азыраак болгондуктан, ошонун негизинде өркүндөтүүлөрдү жүргүздүк. Сүрөт 3 б) салттуу конструкцияга караганда дагы бир чоңдук параметрине ээ болгон жаңы иштелип чыккан мүйүз: сырткы жаа радиусу R. Мындан тышкары, оюк мүйүздүн жумушчу бетине оюп, пластмассадан жасалган буюмдун бети менен кызматташуу үчүн, бул титирөө энергиясын берүү жана иштелип жаткан нерсени бузулуудан сактоо үчүн пайдалуу. Бул модель үзгүлтүксүз түрдө ANSYSте параметрдик түрдө моделденип, андан кийин кийинки эксперименталдык дизайн түзүлөт.

3.2 DOE эксперименталдык дизайны (маанилүү параметрлерди аныктоо)

DFSS инженердик практикалык маселелерди чечүү үчүн түзүлгөн. Ал кемчиликсиздикке умтулбайт, бирок натыйжалуу жана күчтүү. Ал 6-Сигма идеясын камтыйт, негизги карама-каршылыкты камтыйт жана "99,97%" дан баш тартуу менен бирге, айлана-чөйрөнүн өзгөрүлмөлүүлүгүнө дизайндын туруктуу болушун талап кылат. Ошондуктан, максаттуу параметр оптимизациясын жасоодон мурун, алгач аны электен өткөрүп, структурага маанилүү таасир этүүчү өлчөмдү тандап, алардын маанилүүлүгүн бекемдик принцибине ылайык аныкташ керек.

3.2.1 DOE параметрин орнотуу жана DOE

Дизайн параметрлери - мүйүз формасы жана U түрүндөгү оюктун көлөмү, ж.б., бардыгы болуп сегиз. Максаттуу параметр - бул биринчи тартиптеги октук термелүүнүн жыштыгы, анткени ал ширетүүгө көбүрөөк таасир этет, ал эми максималдуу концентрацияланган чыңалуу жана жумушчу беттин амплитудасынын айырмасы абалдын өзгөрүлмө катары чектелген. Тажрыйбанын негизинде, параметрлердин натыйжаларга тийгизген таасири сызыктуу деп болжолдонот, ошондуктан ар бир фактор жогорку жана төмөнкү эки деңгээлге гана коюлат. Параметрлердин тизмеси жана ага ылайыктуу аталыштар төмөнкүдөй.

DOE ANSYSте мурда белгиленген параметрдик моделдин жардамы менен жүргүзүлөт. Программалык камсыздоонун чектелгендигинен улам, толук фактор DOE 7 гана параметрди колдоно алат, ал эми модельде 8 параметр бар, жана ANSYSтин DOE натыйжаларын талдоосу профессионалдык 6-sigma программасы сыяктуу ар тараптуу эмес жана өз ара аракеттенүүнү жөнгө сала албайт. Ошондуктан APDL программасын колдонуп, программанын натыйжаларын эсептөө жана бөлүп алуу үчүн DOE циклин жазып, андан кийин анализ үчүн маалыматтарды Minitabга киргизебиз.

3.2.2 DOE натыйжаларын талдоо

Минитабдын DOE талдоосу 4-сүрөттө көрсөтүлгөн жана негизги таасир этүүчү факторлорду анализдөөнү жана өз ара аракеттенүүнү анализдөөнү камтыйт. Негизги таасир этүүчү фактордук анализ долбоордук өзгөрмөлөрдүн кайсы өзгөрүүлөрү максаттуу өзгөрмөгө көбүрөөк таасир этерин аныктоо үчүн колдонулат, ошону менен алардын кайсынысы маанилүү дизайндык өзгөрмөлөр экендигин көрсөтөт. Факторлордун өз ара аракети анализденип, факторлордун деңгээлин аныктайт жана долбоордук өзгөрмөлөрдүн ортосундагы байланыш деңгээлин төмөндөтөт. Дизайн фактору жогору же төмөн болгондо, башка факторлордун өзгөрүү даражасын салыштырыңыз. Көзкарандысыз аксиомага ылайык, оптималдуу дизайн бири-бирине байланбайт, андыктан аз өзгөрүлмө деңгээлди тандаңыз.

Бул документтеги ширетүүчү мүйүздүн анализинин жыйынтыктары төмөнкүлөр: маанилүү долбоорлоо параметрлери - тышкы жаа радиусу жана мүйүздүн оюгу туурасы. Эки параметрдин тең деңгээли “жогору”, башкача айтканда, DOEде радиус чоңураак маанини алат, ал эми оюктун туурасы дагы чоң маанини алат. Маанилүү параметрлер жана алардын маанилери аныкталды, андан кийин ANSYS программасында дизайнды оптималдаштыруу үчүн бир нече башка параметрлер колдонулуп, ширетүүчү машинанын иштөө жыштыгына ылайык мүйүз жыштыгын жөнгө салышты. Оптимизация процесси төмөнкүдөй.

3.3 Максаттуу параметрлерди оптималдаштыруу (мүйүздүн жыштыгы)

Дизайнды оптималдаштыруунун параметрлери DOEдикине окшош. Айырмасы, эки маанилүү параметрдин мааниси аныкталган, калган үч параметр материалдык касиеттерге байланыштуу, алар ызы-чуу деп эсептелет жана оптималдаштырылбайт. Реттелүүчү калган үч параметр - оюктун октук абалы, узундугу жана мүйүздүн туурасы. Оптималдаштыруу инженердик маселелерде кеңири колдонулган ANSYS программасында подпроблеманы жакындатуу ыкмасын колдонот жана конкреттүү процесстен баш тартат.

Белгилей кетүүчү нерсе, максаттуу өзгөрмө катары жыштыкты колдонуу бир аз чеберчиликти талап кылат. Дизайн параметрлери жана вариациясынын кеңири диапазону болгондуктан, мүйүздүн титирөө режими кызыккан жыштык диапазонунда көп. Эгерде модалдык анализдин натыйжасы түздөн-түз колдонулса, анда биринчи тартиптеги октук режимди табуу кыйынга турат, анткени модалдык ырааттуулук бири-бирине кириши параметрлер өзгөргөндө пайда болушу мүмкүн, башкача айтканда, баштапкы режимге туура келген натуралдык жыштык ирети. Демек, бул иш кагазда алгач модалдык анализ кабыл алынып, андан кийин жыштыкка жооп ийри сызыгын алуу үчүн модалдык суперпозиция ыкмасы колдонулат. Жыштыкка жооп ийри сызыктын эң жогорку чегин табуу менен, ал тиешелүү модалдык жыштыкты камсыздай алат. Бул автоматтык түрдө оптималдаштыруу процессинде абдан маанилүү, модалдуулукту кол менен аныктоо зарылчылыгын жокко чыгарат.

Оптимизация бүткөндөн кийин, мүйүздүн иштөө жыштыгы максаттуу жыштыкка абдан жакын болушу мүмкүн жана ката оптимизацияда көрсөтүлгөн толеранттуулуктун маанисинен аз болот. Ушул учурда, мүйүздүн дизайны негизинен аныкталат, андан кийин өндүрүштү иштеп чыгууга жол берилген чыдамдуулук.

20200117113652_29938

3.4 Толеранттуулуктун дизайны

Жалпы структуралык долбоорлоо бардык долбоорлоо параметрлери аныкталгандан кийин аяктайт, бирок инженердик көйгөйлөр үчүн, айрыкча массалык өндүрүшкө кеткен чыгымды эске алганда, толеранттуулукту иштеп чыгуу маанилүү. Төмөнкү тактыктын баасы да төмөндөйт, бирок долбоордук көрсөткүчтөргө жооп берүү мүмкүнчүлүгү сандык эсептөөлөр үчүн статистикалык эсептөөлөрдү талап кылат. ANSYSтеги PDS Ыктымалдуулукту Дизайн Системасы долбоорлоо параметрлеринин чыдамдуулугу менен максаттуу параметрлердин чыдамдуулугунун ортосундагы байланышты жакшыраак талдап, толук отчет файлдарын түзө алат.

3.4.1 PDS параметрлеринин жөндөөлөрү жана эсептөөлөрү

DFSS идеясына ылайык, толеранттуулукту талдоо долбоордун маанилүү параметрлери боюнча жүргүзүлүшү керек, жана башка жалпы толеранттуулукту эмпирикалык жол менен аныктоого болот. Бул документтеги кырдаал өзгөчө, анткени иштетүү жөндөмүнө ылайык, геометриялык долбоорлоо параметрлеринин өндүрүшкө чыдамдуулугу өтө аз жана мүйүздүн акыркы жыштыгына анча таасир этпейт; ал эми чийки заттын параметрлери жеткирүүчүлөрдүн кесепетинен бир топ айырмаланат, ал эми чийки заттын баасы мүйүздү иштетүүгө кеткен чыгымдын 80% дан ашыгын түзөт. Демек, материалдык касиеттерге ылайыктуу толеранттуулук диапазонун белгилөө керек. Тиешелүү материалдык касиеттер бул тыгыздык, ийкемдүүлүк модулу жана үн толкунунун таралуу ылдамдыгы.

Толеранттуулукту анализдөө ANSYSте кокустан Монте-Карлонун симуляциясын колдонуп, Латын Hypercube ыкмасын тандап алат, анткени ал тандоо чекиттерин бирдей жана акылга сыярлык кылып, азыраак пунктка жакшыраак корреляция алат. Бул документте 30 пункт коюлган. Үч материалдык параметрдин толеранттуулугу Гаусс боюнча бөлүштүрүлүп, башында жогорку жана төмөнкү чеги берилген, андан кийин ANSYS менен эсептелген деп ойлойбуз.

3.4.2 PDS натыйжаларын талдоо

PDS эсептөө аркылуу 30 тандоо чекитине туура келген максаттуу өзгөрүлмө маанилер берилет. Максаттуу өзгөрмөлөрдүн бөлүштүрүлүшү белгисиз. Параметрлер Minitab программасынын жардамы менен кайрадан орнотулуп, жыштык негизинен кадимки бөлүштүрүүгө ылайык бөлүштүрүлөт. Бул толеранттуулукту анализдөөнүн статистикалык теориясын камсыз кылат.

PDS эсептөөсү максаттуу өзгөрмөнүн толеранттуулук кеңейишине чейин долбоордук өзгөрмөдөн ылайыктуу формуланы берет: мында у максаттуу өзгөрмө, х - долбоорлук өзгөрмө, с - корреляция коэффициенти, и - өзгөрүлмө сан.

Ага ылайык, максаттуу толеранттуулук ар бир долбоордук өзгөрмөгө берилип, толеранттуулукту иштеп чыгуу милдетин аткарышы мүмкүн.

3.5 Эксперименталдык текшерүү

Алдыңкы бөлүгү бүт ширетүүчү мүйүздүн долбоорлоо процесси. Бүткөндөн кийин, чийки зат долбоордогу жол берилген материалдык чыдамдуулукка ылайык сатылып алынып, андан кийин өндүрүшкө жеткирилет. Жыштык жана модалдык тестирлөө өндүрүү аяктагандан кийин жүргүзүлөт жана колдонулган сыноо ыкмасы эң жөнөкөй жана эффективдүү снайперлерди сыноо ыкмасы болуп саналат. Эң көп тынчсыздандырган индекс биринчи тартиптеги октук модалдык жыштык болгондуктан, ылдамдануу сенсору жумушчу бетине бекитилет, ал эми экинчи учу октук багыт боюнча согулат жана мүйүздүн чыныгы жыштыгын спектралдык анализ аркылуу алууга болот. Дизайндын симуляциялык натыйжасы 14925 Гц, тесттин жыйынтыгы 14954 Гц, жыштыктын чечилиши 16 Гц, ал эми максималдуу ката 1% дан аз. Модалдык эсептөөдө акыркы элементтин симуляциясынын тактыгы өтө жогору экени көрүнүп турат.

Эксперименталдык сыноодон өткөндөн кийин, мүйүз ультраүн ультра үндүү ширетүүчү машинада өндүрүшкө киргизилет. Реакциянын абалы жакшы. Жарым жылдан ашуун убакыттан бери иш туруктуу жүрүп, ширетүү квалификациясынын деңгээли жогору болуп, жалпы жабдууларды чыгаруучу компаниянын убада кылган үч айлык мөөнөтүнөн ашып кетти. Бул дизайн ийгиликтүү болуп, өндүрүш процесси бир нече жолу өзгөртүлүп жана жөнгө салынбагандыгын көрсөтүп, убакытты жана жумушчу күчүн үнөмдөп турат.

4 Корутунду

Бул кагаз ультраүн пластикалык ширетүү принцибинен башталат, ширетүүнүн техникалык багытын терең түшүнүп, жаңы мүйүздүн дизайн концепциясын сунуш кылат. Андан кийин долбоорду конкреттүү түрдө анализдөө жана DFSSдин 6-Sigma дизайн идеясын киргизүү үчүн чектүү элементтин күчтүү моделдөө функциясын колдонуп, ANSYS DOE эксперименталдык дизайны жана PDS сабырдуулук талдоо аркылуу маанилүү дизайн параметрлерин көзөмөлдөө менен бекем дизайнга жетише аласыз. Акыр-аягы, мүйүз бир жолу ийгиликтүү өндүрүлүп, эксперименталдык жыштык сыноосу жана өндүрүштү иш жүзүндө текшерүү менен дизайны акылга сыярлык болду. Ошондой эле, бул долбоорлоо ыкмаларынын жыйындысы мүмкүн жана натыйжалуу экендигин далилдейт.


Билдирүү убактысы: 04.04.2020