warta

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Pambuka

Kanthi pangembangan teknologi ultrasonik, aplikasi luwih akeh, bisa digunakake kanggo ngresiki partikel rereget cilik, lan uga bisa digunakake kanggo ngelas logam utawa plastik. Utamane ing produk plastik saiki, welding ultrasonik biasane digunakake, amarga struktur sekrup ilang, tampilan bisa luwih sampurna, lan fungsi anti banyu lan anti debu uga disedhiyakake. Desain tanduk las plastik duwe pengaruh penting marang kualitas las pungkasan lan kapasitas produksi. Ing produksi meter listrik anyar, gelombang ultrasonik digunakake kanggo nggabungake pasuryan ndhuwur lan ngisor. Nanging, sajrone digunakake, ditemokake sawetara sungu dipasang ing mesin lan retak lan kegagalan liyane kedadeyan sajrone wektu sing cendhak. Sawetara sungu las Tingkat cacat dhuwur. Maneka kaluputan duwe pengaruh gedhe marang produksi. Miturut pangerten, panyedhiya peralatan duwe kemampuan desain winates kanggo tanduk, lan asring liwat perbaikan kaping pirang-pirang kanggo nggayuh indikator desain. Mula, kudu nggunakake kaluwihan teknologi dhewe kanggo ngembangake tanduk awet lan metode desain sing cukup.

2 Prinsip las plastik ultrasonik

Las plastik ultrasonik minangka cara pangolahan sing nggunakake kombinasi thermoplastics ing geter paksa frekuensi tinggi, lan permukaan las saling gosok kanggo ngasilake leleh suhu tinggi lokal. Kanggo nggayuh asil welding ultrasonik sing apik, dibutuhake peralatan, bahan lan parameter proses. Ing ngisor iki minangka perkenalan singkat babagan prinsip kasebut.

2.1 Sistem las plastik ultrasonik

Gambar 1 minangka tampilan skema sistem las. Energi listrik diterusake liwat generator sinyal lan ampli daya kanggo ngasilake sinyal listrik bolak-balik frekuensi ultrasonik (> 20 kHz) sing ditrapake ing transduser (keramik piezoelektrik). Liwat transduser, energi listrik dadi energi saka geter mekanik, lan amplitudo geter mekanik diatur karo sungu menyang amplitudo kerja sing cocog, banjur ditularake kanthi seragam menyang materi sing ana hubungane karo sungu. Permukaan kontak saka rong bahan las kasebut kena geter paksa frekuensi tinggi, lan panas gesekan ngasilake leleh suhu tinggi lokal. Sawise adhem, bahan kasebut digabungake kanggo nggandheng las.

Ing sistem las, sumber sinyal minangka bagean sirkuit sing ngemot sirkuit penguat daya sing stabilitas frekuensi lan kemampuan drivee mengaruhi kinerja mesin kasebut. Bahan kasebut termoplastik, lan desain permukaan gabungan kudu dipikirake carane ngasilake panas lan dermaga kanthi cepet. Transduser, sungu lan sungu kabeh bisa dianggep struktur mekanik supaya gampang analisis kopling geterane. Ing welding plastik, geter mekanik ditularake kanthi bentuk gelombang longitudinal. Cara ngirim energi kanthi efektif lan nyetel amplitudo minangka titik utama desain.

2.2 tanduk

Tanduk minangka antarmuka kontak ing antarane mesin las ultrasonik lan bahan kasebut. Fungsi utamane yaiku ngirim geter mekanik longitudinal sing diasilake dening variator kanthi merata lan efisien menyang materi. Bahan sing digunakake biasane paduan aluminium bermutu utawa uga paduan titanium. Amarga desain bahan plastik saya owah, tampilane beda banget, lan tanduk kudu diganti. Bentuk permukaan sing digunakake kudu cocog karo bahan kasebut, supaya ora ngrusak plastik nalika kedher; sekaligus, frekuensi solid getaran longitudinal urutan pertama kudu dikoordinasi karo frekuensi output mesin las, yen ora, energi geter bakal dikonsumsi kanthi internal. Nalika tanduk kedher, konsentrasi stres lokal kedadeyan. Cara ngoptimalake struktur lokal kasebut uga dadi pertimbangan desain. Artikel iki nemokake cara ngetrapake tanduk desain ANSYS kanggo ngoptimalake parameter desain lan toleransi manufaktur.

3 desain sungu las

Kaya sing wis kasebut sadurunge, desain sungu las cukup penting. Ana akeh pemasok peralatan ultrasonik ing China sing ngasilake sungu las dhewe, nanging bagean sing penting yaiku niru, lan banjur terus motong lan nyoba. Liwat metode penyesuaian sing bola-bali iki, koordinasi frekuensi tanduk lan peralatan bisa ditindakake. Ing makalah iki, metode elemen winates bisa digunakake kanggo nemtokake frekuensi nalika ngrancang tanduk. Asil tes tanduk lan kesalahan frekuensi desain mung 1%. Sanalika, makalah iki ngenalake konsep DFSS (Desain Kanggo Nem Sigma) kanggo ngoptimalake lan desain tanduk sing kuat. Konsep desain 6-Sigma yaiku kanggo nglumpukake swarane pelanggan kanthi proses desain kanggo desain sing ditarget; lan pre-pertimbangan kemungkinan penyimpangan ing proses produksi kanggo mesthekake kualitas produk pungkasan disebarake ing level sing cukup. Proses desain ditampilake ing Gambar 2. Wiwit saka pangembangan indikator desain, struktur lan dimensi tanduk wiwitane dirancang miturut pengalaman sing ana. Model parametrik digawe ing ANSYS, banjur model kasebut ditemtokake kanthi metode desain eksperimen simulasi (DOE). Parameter penting, miturut syarat sing kuat, nemtokake regane, banjur gunakake cara sub-masalah kanggo ngoptimalake parameter liyane. Ngelingi pengaruh bahan lan paramèter lingkungan nalika nggawe lan panggunaan sungu, uga dirancang kanthi toleransi kanggo nyukupi persyaratane biaya pembuatan. Pungkasan, desain teori manufaktur, tes lan tes lan kesalahan nyata, kanggo memenuhi indikator desain sing dikirim. Pambuka rinci babagan langkah-langkah ing ngisor iki.

20200117113651_36685

3.1 Desain bentuk geometris (nggawe model parametrik)

Rancang tanduk welding pisanan nemtokake kira-kira bentuk lan struktur geometris lan nggawe model parametrik kanggo analisis sabanjure. Gambar 3 a) yaiku desain sungu las sing paling umum, ing endi sawetara alur bentuk U dibukak ing arah geter ing materi udakara kuboid. Ukuran sakabèhé yaiku dawa arah X, Y, lan Z, lan dimensi lateral X lan Y umume bisa dibandhingake karo ukuran bahan sing dipasang. Dawane Z padha karo setengah gelombang gelombang ultrasonik, amarga ing teori geter klasik, frekuensi aksial urutan pisanan obyek sing dawa ditemtokake dening dawane, lan dawa setengah gelombang pas karo akustik frekuensi gelombang. Desain iki wis digawe lengkap. Gunakake, migunani kanggo nyebar ombak swara. Tujuan alur sing bentuke U yaiku kanggo nyuda geter geter lateral. Posisi, ukuran lan nomer ditemtokake miturut ukuran sakabehe tanduk. Bisa dingerteni manawa ing desain iki, ana sawetara paramèter sing luwih sithik sing bisa diatur kanthi bebas, mula kita wis nambah asil adhedhasar iki. Gambar 3 b) yaiku sungu sing mentas dirancang sing duwe paramèter ukuran luwih saka desain tradisional: radius busar njaba R. Kajaba iku, alur diukir ing permukaan tanduk sing digunakake kanggo kerja sama karo permukaan bahan plastik, sing mupangate kanggo ngirim energi geter lan nglindhungi benda kerja saka karusakan. Model iki biasane model parametris ing ANSYS, banjur desain eksperimen sabanjure.

3.2 Desain eksperimen DOE (panentu paramèter penting)

DFSS digawe kanggo ngrampungake masalah teknik sing praktis. Iki ora nggayuh kasampurnan, nanging efektif lan kuat. Iki ngemot ide 6-Sigma, nyekel kontradiksi utama, lan ninggali "99,97%", nalika mrentahake desain supaya bisa tahan banget karo keragaman lingkungan. Mula, sadurunge nggawe optimasi parameter target, kudu disaring dhisik, lan ukuran sing pengaruhe penting tumrap strukture kudu dipilih, lan nilaine kudu ditemtokake miturut prinsip kekokohan.

3.2.1 Setelan parameter DOE lan DOE

Parameter desain yaiku bentuk tanduk lan posisi ukuran alur sing bentuke U, lsp. Gunggunge ana wolung. Parameter target yaiku frekuensi geter aksial aksen pisanan amarga pengaruh paling gedhe ing las, lan stres konsentrasi maksimum lan beda ing amplitudo permukaan kerja diwatesi amarga variabel negara. Adhedhasar pengalaman, dianggep efek saka paramèter ing asil linear, mula saben faktor mung disetel dadi loro level, dhuwur lan endhek. Dhaptar paramèter lan jeneng sing cocog kaya ing ngisor iki.

DOE ditindakake ing ANSYS nggunakake model parametrik sing wis ditemtokake sadurunge. Amarga watesan piranti lunak, DOE faktor lengkap mung bisa nggunakake nganti 7 parameter, dene model kasebut nduweni 8 paramèter, lan analisis ANSYS kanggo asil DOE ora jangkep kaya piranti lunak 6-sigma profesional, lan ora bisa ngatasi interaksi. Mula, kita nggunakake APDL kanggo nulis loop DOE kanggo ngetung lan ngekstrak asil program, lan banjur nyelehake data menyang Minitab kanggo dianalisis.

3.2.2 Analisis asil DOE

Analisis DOE Minitab ditampilake ing Gambar 4 lan kalebu analisis faktor pengaruh utama lan analisis interaksi. Analisis faktor pangaribawa utama digunakake kanggo nemtokake pangowahan variabel desain sing nduwe pengaruh sing luwih gedhe marang variabel target, mula nuduhake variabel desain sing penting. Interaksi ing antarane faktor banjur dianalisis kanggo nemtokake level faktor lan kanggo nyuda drajade kopling ing antarane variabel desain. Bandhingake tingkat pangowahan faktor liyane nalika faktor desain dhuwur utawa kurang. Miturut aksioma independen, desain optimal ora gegandhengan siji liyane, mula pilih level sing kurang variabel.

Asil analisis tanduk las ing makalah iki yaiku: paramèter desain penting yaiku radius busar njaba lan jembaré slot sungu. Tingkat kalorone paramèter yaiku "dhuwur", yaiku, radius njupuk nilai luwih gedhe ing DOE, lan jembar alur uga njupuk nilai sing luwih gedhe. Parameter penting lan nilai kasebut ditemtokake, banjur sawetara parameter liyane digunakake kanggo ngoptimalake desain ing ANSYS kanggo nyetel frekuensi tanduk supaya cocog karo frekuensi operasi mesin las. Proses optimasi kaya ing ngisor iki.

3.3 Optimisasi parameter target (frekuensi tanduk)

Setelan parameter optimasi desain padha karo DOE. Bedane yaiku nilai-nilai kanggo rong parameter penting wis ditemtokake, lan telung parameter liyane ana gandhengane karo sifat material, sing dianggep bising lan ora bisa dioptimalake. Telung paramèter sing isih bisa diatur yaiku posisi aksial saka slot, dawane lan ambane sungu. Optimisasi nggunakake metode pendekatan subproblem ing ANSYS, sing minangka metode sing akeh digunakake kanggo masalah rekayasa, lan proses spesifik dilalekake.

Perlu dielingi manawa nggunakake frekuensi minangka variabel target mbutuhake katrampilan sajrone operasi. Amarga ana akeh parameter desain lan macem-macem variasi, mode geter saka tanduk akeh sing ana ing kisaran frekuensi sing dikarepake. Yen asil analisis modhal digunakake kanthi langsung, mula ora angel golek mode aksial urutan kapisan, amarga interleave urutan modhisi bisa uga kedadeyan nalika paramèter diganti, yaiku ordinal frekuensi alami sing cocog karo modhifikasi sing asli. Mula, makalah iki nggunakake analisis modal dhisik, banjur nggunakake metode superposisi modal kanggo nggayuh kurva tanggapan frekuensi. Kanthi nemokake nilai puncak kurva tanggapan frekuensi, bisa njamin frekuensi modhal sing cocog. Iki penting banget ing proses optimalisasi otomatis, ngilangi kebutuhan kanggo nemtokake modalitas kanthi manual.

Sawise optimisasi rampung, frekuensi kerja desain tanduk bisa cedhak banget karo frekuensi target, lan kesalahane kurang saka nilai toleransi sing ditemtokake ing optimalisasi. Ing jalur iki, desain tanduk biasane ditemtokake, banjur toleransi manufaktur kanggo desain produksi.

20200117113652_29938

3.4 Desain toleransi

Desain struktural umum rampung sawise kabeh parameter desain wis ditemtokake, nanging kanggo masalah rekayasa, utamane nalika ngelingi biaya produksi massal, desain toleransi penting. Biaya presisi rendah uga dikurangi, nanging kemampuan kanggo metrik desain mbutuhake petungan statistik kanggo petungan kuantitatif. Sistem Desain Probabilitas PDS ing ANSYS bisa nganalisis hubungan antara toleransi parameter desain lan toleransi parameter target, lan bisa ngasilake file laporan sing gegandhengan.

3.4.1 Setelan lan petungan parameter PDS

Miturut ide DFSS, analisis toleransi kudu ditindakake ing parameter desain sing penting, lan toleransi umum liyane bisa ditemtokake kanthi empiris. Kahanan ing makalah iki cukup istimewa, amarga miturut kemampuan mesin, toleransi pabrikan paramèter desain géomètri sithik banget, lan ora ana pengaruhe ing frekuensi tanduk pungkasan; dene parameter bahan baku beda banget amarga para pemasok, lan rega bahan baku luwih saka 80% biaya pangolahan tanduk. Mula, kudu nyetel kisaran toleransi sing cukup kanggo properti material. Properti material sing relevan ing kene yaiku kepadatan, modulus elastisitas lan kecepatan panyebaran gelombang swara.

Analisis toleransi nggunakake simulasi Monte Carlo acak ing ANSYS kanggo conto metode Hypercube Latin amarga bisa nggawe distribusi poin sampel luwih seragam lan wajar, lan entuk korélasi luwih apik kanthi poin sing luwih sithik. Kertas iki nyetel 30 poin. Nemtokake toleransi telung parameter materi disebar miturut Gauss, wiwitane diwenehi wates ndhuwur lan ngisor, banjur diwilang ing ANSYS.

3.4.2 Analisis asil PDS

Liwat pitungan PDS, nilai variabel target sing cocog karo 30 poin sampling diwenehake. Distribusi variabel target ora dingerteni. Parameter kasebut dipasang maneh nggunakake piranti lunak Minitab, lan frekuensi biasane disebar miturut distribusi normal. Iki njamin teori statistik analisis toleransi.

Pitungan PDS menehi formula pas saka variabel desain nganti ekspansi toleransi variabel target: ing endi variabel target, x yaiku variabel desain, c yaiku koefisien korelasi, lan i minangka angka variabel.

Miturut iki, toleransi target bisa diwenehake saben variabel desain kanggo ngrampungake tugas desain toleransi.

3.5 Verifikasi eksperimen

Sisih ngarep yaiku proses desain kabeh sungu las. Sawise rampung, bahan baku dituku miturut toleransi materi sing diidini dening desain, banjur dikirim menyang pabrik. Tes frekuensi lan modhal ditindakake sawise manufaktur rampung, lan metode tes sing digunakake minangka metode tes sniper paling gampang lan efektif. Amarga indeks sing paling penting yaiku frekuensi modal aksial urutan kapisan, sensor akselerasi dipasang ing permukaan sing digunakake, lan ujung liyane disabetake ing arah aksial, lan frekuensi tanduk sing nyata bisa dipikolehi kanthi analisis spektral. Asil simulasi desain yaiku 14925 Hz, asil tes 14954 Hz, resolusi frekuensi 16 Hz, lan kesalahan maksimal kurang saka 1%. Bisa dingerteni manawa akurasi simulasi unsur winates ing pitungan modal dhuwur banget.

Sawise lulus tes eksperimen, sungu dipasang ing produksi lan perakitan ing mesin las ultrasonik. Kondisi reaksi kasebut apik. Pakaryan kasebut wis stabil luwih saka setengah taun, lan tingkat kualifikasi las dhuwur, sing wis ngluwihi umur layanan telung wulan sing dijanjekake dening pabrikan peralatan umum. Iki nuduhake manawa desain wis sukses, lan proses manufaktur durung diowahi lan diowahi kanthi bola-bali, ngirit wektu lan tenaga kerja.

4 Kesimpulan

Makalah iki diwiwiti kanthi prinsip welding plastik ultrasonik, ngerteni fokus teknis las, lan ngusulake konsep desain tanduk anyar. Banjur gunakake fungsi simulasi sing kuat kanggo elemen winates kanggo nganalisa desain kanthi konkret, lan ngenalake ide desain 6-Sigma DFSS, lan ngontrol parameter desain penting liwat desain eksperimen ANSYS DOE lan analisis toleransi PDS kanggo nggayuh desain sing kuat. Pungkasane, tanduk kasebut sukses diprodhuksi sapisan, lan desaine cukup wajar kanthi tes frekuensi eksperimen lan verifikasi produksi nyata. Uga mbuktekake manawa metode desain iki bisa ditindakake lan efektif.


Wektu kiriman: Nov-04-2020