كيفية استخدام FEM ANSYS الأمثل المعلمة وتصميم احتمال القرن لحام بالموجات فوق الصوتية

كيفية استخدام FEM ANSYS الأمثل المعلمة وتصميم احتمال القرن لحام بالموجات فوق الصوتية

مقدمة

مع تطور تقنية الموجات فوق الصوتية ، أصبح تطبيقه أكثر شمولاً ، ويمكن استخدامه لتنظيف جزيئات الأوساخ الصغيرة ، ويمكن استخدامه أيضًا للحام المعدني أو البلاستيك. في منتجات البلاستيك الحالية ، يستخدم اللحام بالموجات فوق الصوتية في الغالب ، لأنه تم حذف الهيكل اللولبي ، ويمكن أن يكون المظهر أكثر مثالية ، كما تتوفر وظيفة العزل المائي والغبار. تصميم لحام البلاستيكحله تأثير هام على جودة اللحام النهائية وقدرة الإنتاج. في إنتاج عدادات كهربائية جديدة ، تستخدم الموجات فوق الصوتية لدمج الوجوه العلوية والسفلية معًا. ومع ذلك ، أثناء الاستخدام ، وجد أن بعض القرون مثبتة على الجهاز وتحدث أعطال أخرى في فترة زمنية قصيرة. بعض قرن اللحام معدل الخلل مرتفع. كان للأخطاء المختلفة تأثير كبير على الإنتاج. وفقًا للفهم ، فإن موردي المعدات لديهم قدرات تصميم محدودة للقرن ، وغالبًا من خلال الإصلاحات المتكررة لتحقيق مؤشرات التصميم. لذلك ، من الضروري استخدام مزايانا التكنولوجية لتطوير قرن متين وطريقة تصميم معقولة.

2 مبدأ لحام البلاستيك بالموجات فوق الصوتية

اللحام البلاستيكي بالموجات فوق الصوتية عبارة عن طريقة معالجة تستخدم مزيجًا من اللدائن الحرارية في الاهتزاز القسري عالي التردد ، وتفرك أسطح اللحام بعضها البعض لإنتاج ذوبان درجات حرارة عالية محليًا. من أجل تحقيق نتائج جيدة لحام بالموجات فوق الصوتية ، هناك حاجة إلى المعدات والمواد والمعايير العملية. فيما يلي مقدمة موجزة لمبدأها.

2.1 نظام لحام البلاستيك بالموجات فوق الصوتية

الشكل 1 هو عرض تخطيطي لنظام اللحام. يتم تمرير الطاقة الكهربائية من خلال مولد الإشارة ومضخم الطاقة لإنتاج إشارة كهربائية بالتناوب للتردد فوق الصوتي (& gt؛ 20 كيلو هرتز) التي يتم تطبيقها على محول الطاقة (السيراميك كهرضغطية). من خلال محول الطاقة ، تصبح الطاقة الكهربائية هي طاقة الاهتزاز الميكانيكي ، ويتم ضبط سعة الاهتزاز الميكانيكي من خلال القرن إلى سعة العمل المناسبة ، ثم تنتقل بشكل موحد إلى المواد التي تلامسها خلال القرن. تتعرض الأسطح الملامسة لمادتي اللحام للاهتزاز القسري عالي التردد ، وتولد حرارة الاحتكاك ذوبانًا بدرجة حرارة عالية محلية. بعد التبريد ، يتم دمج المواد لتحقيق اللحام.

في نظام اللحام ، يكون مصدر الإشارة عبارة عن جزء دائرة يحتوي على دائرة مضخم الطاقة التي يؤثر استقرار التردد وقدرة القيادة على أداء الجهاز. المادة عبارة عن لدن بالحرارة ، وتصميم السطح المفصلي يحتاج إلى التفكير في كيفية توليد الحرارة والإرساء بسرعة. يمكن اعتبار محولات الطاقة والأبواق والقرون هياكل ميكانيكية لسهولة تحليل اقتران الاهتزازات. في اللحام البلاستيكي ، ينتقل الاهتزاز الميكانيكي في شكل موجات طولية. كيفية نقل الطاقة بفعالية وضبط السعة هي النقطة الرئيسية للتصميم.

2.2horn

يعمل القرن كواجهة اتصال بين آلة اللحام بالموجات فوق الصوتية والمواد. وظيفتها الرئيسية هي نقل الاهتزاز الميكانيكي الطولي الناتج عن المتغير بالتساوي والكفاءة إلى المواد. المواد المستخدمة هي عادة 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 يكون شكل سطح العمل متوافقًا جيدًا مع المواد ، حتى لا تتلف البلاستيك عند الاهتزاز ؛ في نفس الوقت ، يجب تنسيق التردد الصلب للاهتزاز الطولي من الدرجة الأولى مع تردد إخراج آلة اللحام ، وإلا سيتم استهلاك طاقة الاهتزاز داخليًا. عندما يهتز القرن ، يحدث تركيز الضغط المحلي. كيفية تحسين هذه الهياكل المحلية هو أيضا اعتبار التصميم. تستكشف هذه المقالة كيفية تطبيق قرن تصميم ANSYS لتحسين معلمات التصميم وتحمل التصنيع.

3 تصميم لحام البوق

كما ذكرنا سابقًا ، فإن تصميم بوق اللحام مهم جدًا. هناك العديد من موردي المعدات فوق الصوتية في الصين الذين ينتجون أبواق اللحام الخاصة بهم ، لكن جزءًا كبيرًا منهم هو تقليد ، ثم يقومون بتشذيب واختبار باستمرار. من خلال طريقة التعديل المتكررة هذه ، يتم تحقيق التنسيق بين تردد القرن والمعدات. في هذه الورقة ، يمكن استخدام طريقة العناصر المحددة لتحديد التردد عند تصميم القرن. نتيجة اختبار البوق وخطأ تردد التصميم لا تتجاوز 1٪. في الوقت نفسه ، تقدم هذه الورقة مفهوم DFSS (تصميم لستة سيغما) لتحسين وتصميم قوي للقرن. يتمثل مفهوم تصميم 6-Sigma في جمع صوت العميل بالكامل في عملية التصميم للتصميم المستهدف ؛ والنظر المسبق في الانحرافات المحتملة في عملية الإنتاج لضمان توزيع جودة المنتج النهائي في 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 حدودي في ANSYS ، ومن ثم يتم تحديد النموذج بواسطة طريقة تصميم تجربة المحاكاة (DOE). تحدد المعلمات الهامة ، وفقًا للمتطلبات القوية ، القيمة ، ثم تستخدم طريقة المشكلة الفرعية لتحسين المعلمات الأخرى. مع الأخذ في الاعتبار تأثير المواد والمعايير البيئية أثناء تصنيع القرن واستخدامه ، فقد تم تصميمه أيضًا بتسامح لتلبية متطلبات تكاليف التصنيع. أخيرًا ، التصميم النظري للاختبار والاختبار والخطأ الفعلي ، لتلبية مؤشرات التصميم التي يتم تسليمها. مقدمة مفصلة خطوة بخطوة التالية.

3.1 تصميم شكل هندسي (إنشاء نموذج حدودي)

يحدد تصميم بوق اللحام أولاً شكله الهندسي التقريبي وهيكله ويؤسس نموذج حدودي 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 مكعبة تقريبًا. الأبعاد الكلية هي أطوال اتجاهات X و Y و Z ، والأبعاد الجانبية X و Y قابلة للمقارنة عمومًا بحجم قطعة الشغل التي يتم لحامها. طول Z يساوي نصف الطول الموجي للموجة بالموجات فوق الصوتية ، لأنه في نظرية الاهتزاز الكلاسيكية ، يتم تحديد التردد المحوري من الدرجة الأولى للكائن الممدود بطوله ، وطول الموجة نصف مطابق تمامًا للطول الصوتي تردد الموجة. تم تمديد هذا التصميم. الاستخدام ، هو مفيد لانتشار الموجات الصوتية. والغرض من الأخدود على شكل حرف U هو تقليل فقدان الاهتزاز الجانبي للقرن. يتم تحديد الموضع والحجم والعدد وفقًا للحجم الكلي للقرن. يمكن ملاحظة أنه في هذا التصميم ، هناك عدد أقل من المعلمات التي يمكن تنظيمها بحرية ، لذلك قمنا بإجراء تحسينات على هذا الأساس. الشكل 3 ب) هو قرن مصمم حديثًا يحتوي على معلمة حجم أكثر من التصميم التقليدي: نصف قطر القوس الخارجي R. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأخدود محفور على سطح العمل في القرن للتعاون مع سطح قطعة العمل البلاستيكية ، وهو أمر مفيد لنقل طاقة الاهتزاز وحماية الشغل من التلف. يتم تصميم هذا النموذج بشكل روتيني في نظام ANSYS ، ومن ثم التصميم التجريبي التالي.

3.2 التصميم التجريبي لوزارة الطاقة (تحديد المعلمات المهمة)

تم إنشاء DFSS لحل المشكلات الهندسية العملية. إنه لا يسعى إلى الكمال ، لكنه فعال وقوي. إنها تجسد فكرة 6-Sigma ، تلتقط التناقض الرئيسي ، وتتخلى عن "99.97٪ & quot؛" ، بينما تتطلب أن يكون التصميم مقاومًا تمامًا للتغيرات البيئية. لذلك ، قبل إجراء تحسين المعلمة الهدف ، يجب فحصه أولاً ، ويجب تحديد الحجم الذي له تأثير مهم على الهيكل ، ويجب تحديد قيمها وفقًا لمبدأ الصلابة.

3.2.1 إعداد معلمة DOE و DOE

معلمات التصميم هي شكل القرن وموضع حجم الأخدود على شكل حرف U ، وما إلى ذلك ، ما مجموعه ثمانية. المعلمة الهدف هي تردد الاهتزاز المحوري من الدرجة الأولى لأنه يحتوي على أكبر تأثير على اللحام ، والحد الأقصى من الإجهاد المركز والفرق في سعة سطح العمل محدودة كمتغيرات الحالة. بناءً على الخبرة ، من المفترض أن يكون تأثير المعلمات على النتائج خطيًا ، لذلك يتم تعيين كل عامل فقط على مستويين ، مرتفع ومنخفض. قائمة المعلمات والأسماء المقابلة هي كما يلي.

يتم تنفيذ DOE في ANSYS باستخدام نموذج حدودي تم إنشاؤه مسبقًا. نظرًا لقيود البرنامج ، لا يمكن لوزارة الطاقة كاملة العوامل استخدام ما يصل إلى 7 معلمات ، في حين أن النموذج يحتوي على 8 معلمات ، وتحليل ANSYS لنتائج DOE ليس شاملاً مثل برنامج 6-sigma المحترف ، ولا يمكنه التعامل مع التفاعل. لذلك ، نستخدم APDL لكتابة حلقة DOE لحساب واستخراج نتائج البرنامج ، ثم نضع البيانات في Minitab لتحليلها.

3.2.2 تحليل نتائج وزارة الطاقة

يظهر تحليل وزارة الطاقة Minitab في الشكل 4 ويتضمن تحليل العوامل المؤثرة الرئيسية وتحليل التفاعل. يتم استخدام تحليل العوامل المؤثرة الرئيسية لتحديد التغييرات المتغيرة في التصميم والتي لها تأثير أكبر على المتغير المستهدف ، مما يشير إلى متغيرات التصميم المهمة. ثم يتم تحليل التفاعل بين العوامل لتحديد مستوى العوامل وتقليل درجة الاقتران بين متغيرات التصميم. قارن درجة التغير في العوامل الأخرى عندما يكون عامل التصميم مرتفعًا أو منخفضًا. وفقًا للبديهية المستقلة ، لا يقترن التصميم الأمثل ببعضها البعض ، لذلك اختر المستوى الأقل تقلبًا.

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

3.3 تحسين المعلمة الهدف (تردد القرن)

تتشابه إعدادات المعلمات الخاصة بتحسين التصميم مع إعدادات وزارة الطاقة. الفرق هو أن قيم المعلمتين المهمتين قد تم تحديدهما ، وأن المعلمات الثلاثة الأخرى مرتبطة بخصائص المواد ، والتي تعتبر ضوضاء ولا يمكن تحسينها. المعلمات الثلاث المتبقية التي يمكن ضبطها 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 ومجموعة واسعة من الاختلافات ، فإن أنماط اهتزاز القرن كثيرة في نطاق الترددات ذي الاهتمام. إذا تم استخدام نتيجة التحليل المشروط مباشرة ، فمن الصعب العثور على الوضع المحوري من الدرجة الأولى ، لأن تشذير التسلسل الشرطي قد يحدث عندما تتغير المعلمات ، أي أن التردد الترتيبي الطبيعي المقابل لتغيير الوضع الأصلي يتغير. لذلك ، تعتمد هذه الورقة تحليل الوسائط أولاً ، ثم تستخدم طريقة تراكب الوسائط للحصول على منحنى استجابة التردد. من خلال إيجاد قيمة الذروة لمنحنى استجابة التردد ، يمكنه ضمان تردد الوسائط المطابق. هذا مهم للغاية في عملية التحسين التلقائي ، مما يلغي الحاجة إلى تحديد الطريقة يدويًا.

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

3.4 تصميم التسامح

يتم الانتهاء من التصميم الهيكلي العام بعد تحديد جميع معايير التصميم ، ولكن بالنسبة للمشاكل الهندسية ، وخاصة عند النظر في تكلفة الإنتاج الضخم ، فإن تصميم التسامح ضروري. يتم أيضًا تقليل تكلفة الدقة المنخفضة ، لكن القدرة على تلبية مقاييس التصميم تتطلب حسابات إحصائية للحسابات الكمية. يمكن لنظام تصميم الاحتمالات PDS في ANSYS تحليل العلاقة بين التسامح معلمة التصميم والتسامح المعلمة الهدف بشكل أفضل ، ويمكن أن تولد ملفات التقرير ذات الصلة كاملة.

3.4.1 إعدادات المعلمات PDS والحسابات

وفقًا لفكرة DFSS ، يجب إجراء تحليل التسامح وفقًا لمعايير التصميم المهمة ، ويمكن تحديد التفاوتات العامة الأخرى بشكل تجريبي. الموقف في هذه الورقة خاص للغاية ، لأنه وفقًا لقدرة الآلات ، فإن التسامح التصنيعي لمعلمات التصميم الهندسي صغير جدًا ، وليس له تأثير يذكر على تردد القرن النهائي ؛ في حين تختلف معايير المواد الخام اختلافًا كبيرًا نظرًا للموردين ، وسعر المواد الخام يمثل أكثر من 80 ٪ من تكاليف معالجة القرن. لذلك ، من الضروري تعيين نطاق تسامح معقول لخصائص المواد. خصائص المواد ذات الصلة هنا هي الكثافة ، معامل المرونة وسرعة انتشار الموجة الصوتية.

يستخدم تحليل التسامح محاكاة مونت كارلو العشوائية في ANSYS لأخذ عينات من أسلوب Hypercube اللاتيني لأنه يمكن أن يجعل توزيع نقاط أخذ العينات أكثر اتساقًا ومعقولة ، والحصول على ارتباط أفضل من خلال عدد أقل من النقاط. هذه الورقة تحدد 30 نقطة. افترض أن تفاوتات معلمات المواد الثلاثة قد تم توزيعها وفقًا لـ Gauss ، مع إعطاء الحد الأعلى والحد الأدنى في البداية ، ثم حسابها في ANSYS.

3.4.2 تحليل نتائج PDS

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

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

وفقًا لهذا ، يمكن تعيين التسامح الهدف 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 لتحمل المواد المسموح به في التصميم ، ثم يتم تسليمها إلى التصنيع. يتم إجراء اختبار التردد وال مشروط بعد اكتمال التصنيع ، وطريقة الاختبار المستخدمة هي أبسط وأكثرها فعالية اختبار القناصة. نظرًا لأن المؤشر الأكثر قلقًا هو التردد الشرطي 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 محاكاة التصميم هي 14925 هرتز ، ونتائج الاختبار هي 14954 هرتز ، ودقة التردد 16 هرتز ، والحد الأقصى للخطأ أقل من 1٪. يمكن ملاحظة أن دقة محاكاة العناصر المحدودة في حساب الوسائط عالية جدًا.

بعد اجتياز الاختبار التجريبي ، يتم وضع القرن في الإنتاج والتجميع على آلة اللحام بالموجات فوق الصوتية. حالة رد الفعل جيدة. لقد كان العمل مستقراً لأكثر من نصف عام ، وكان معدل تأهيل اللحام مرتفعًا ، وقد تجاوز عمر الخدمة لمدة ثلاثة أشهر الذي وعدت به الشركة المصنعة للمعدات العامة. هذا يدل على أن التصميم ناجح ، وأن عملية التصنيع لم يتم تعديلها وتعديلها بشكل متكرر ، مما يوفر الوقت والقوى العاملة.

4. الخلاصة

تبدأ هذه الورقة بمبدأ اللحام البلاستيكي بالموجات فوق الصوتية ، وتدرك بعمق التركيز الفني للحام ، وتقترح مفهوم التصميم للقرن الجديد. ثم استخدم وظيفة المحاكاة القوية للعنصر المحدود لتحليل التصميم بشكل ملموس ، وتقديم فكرة تصميم 6-سيجما من DFSS ، والتحكم في معلمات التصميم الهامة من خلال التصميم التجريبي ANSYS DOE وتحليل التسامح PDS لتحقيق تصميم قوي. أخيرًا ، تم تصنيع البوق بنجاح مرة واحدة ، وكان التصميم معقولًا بواسطة اختبار التردد التجريبي والتحقق الفعلي من الإنتاج. كما يثبت أن هذه المجموعة من أساليب التصميم مجدية وفعالة.