Cách sử dụng tối ưu hóa tham số FEM ANSYS và thiết kế xác suất của sừng hàn siêu âm

Cách sử dụng tối ưu hóa tham số FEM ANSYS và thiết kế xác suất của sừng hàn siêu âm

Lời tựa

Với sự phát triển của công nghệ siêu âm, ứng dụng của nó ngày càng mở rộng, nó có thể được sử dụng để làm sạch các hạt bụi bẩn nhỏ, và nó cũng có thể được sử dụng để hàn kim loại hoặc nhựa. Đặc biệt trong các sản phẩm nhựa ngày nay, hàn siêu âm chủ yếu được sử dụng, vì cấu trúc trục vít bị bỏ qua, vẻ ngoài có thể hoàn hảo hơn, và chức năng chống thấm và chống bụi cũng được cung cấp. Thiết kế của sừng hàn nhựa có tác động quan trọng đến chất lượng hàn cuối cùng và năng lực sản xuất. Trong quá trình sản xuất công tơ điện mới, sóng siêu âm được sử dụng để hợp nhất các mặt trên và dưới với nhau. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, người ta thấy rằng một số còi được cài đặt trên máy và bị nứt và các lỗi khác xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn. Một số sừng hàn Tỷ lệ khuyết tật cao. Các lỗi khác nhau đã có tác động đáng kể đến sản xuất. Theo sự hiểu biết, các nhà cung cấp thiết bị có khả năng thiết kế hạn chế cho còi và thường thông qua sửa chữa nhiều lần để đạt được các chỉ số thiết kế. Do đó, cần phải sử dụng lợi thế công nghệ của chúng ta để phát triển sừng bền và phương pháp thiết kế hợp lý.

2 Nguyên lý hàn nhựa siêu âm

Hàn nhựa siêu âm là một phương pháp xử lý sử dụng sự kết hợp của nhựa nhiệt dẻo trong rung động cưỡng bức tần số cao, và các bề mặt hàn cọ sát vào nhau để tạo ra sự nóng chảy ở nhiệt độ cao cục bộ. Để đạt được kết quả hàn siêu âm tốt, cần có thiết bị, vật liệu và quy trình. Sau đây là một giới thiệu ngắn gọn về nguyên tắc của nó.

2.1 Hệ thống hàn nhựa siêu âm

Hình 1 là một sơ đồ của hệ thống hàn. Năng lượng điện được truyền qua bộ tạo tín hiệu và bộ khuếch đại công suất để tạo ra tín hiệu điện xoay chiều có tần số siêu âm (> 20 kHz) được áp dụng cho đầu dò (gốm áp điện). Thông qua đầu dò, năng lượng điện trở thành năng lượng của dao động cơ học, và biên độ của rung cơ học được điều chỉnh bởi còi đến biên độ làm việc thích hợp, sau đó truyền đồng đều đến vật liệu tiếp xúc với nó thông qua còi. Các bề mặt tiếp xúc của hai vật liệu hàn phải chịu rung động tần số cao và nhiệt ma sát tạo ra sự nóng chảy ở nhiệt độ cao cục bộ. Sau khi làm mát, các vật liệu được kết hợp để đạt được hàn.

Trong một hệ thống hàn, nguồn tín hiệu là một phần mạch có chứa mạch khuếch đại công suất có độ ổn định tần số và khả năng điều khiển ảnh hưởng đến hiệu suất của máy. Vật liệu này là một loại nhựa nhiệt dẻo, và thiết kế của bề mặt khớp cần xem xét làm thế nào để nhanh chóng tạo ra nhiệt và dock. Đầu dò, sừng và sừng đều có thể được coi là cấu trúc cơ học để phân tích dễ dàng sự khớp nối của các rung động của chúng. Trong hàn nhựa, rung cơ học được truyền dưới dạng sóng dọc. Làm thế nào để truyền năng lượng hiệu quả và điều chỉnh biên độ là điểm chính của thiết kế.

2.2horn

Sừng đóng vai trò là giao diện tiếp xúc giữa máy hàn siêu âm và vật liệu. Chức năng chính của nó là truyền các rung động cơ học theo chiều dọc được xuất ra bởi bộ biến đổi đồng đều và hiệu quả đến vật liệu. Vật liệu được sử dụng thường là hợp kim nhôm chất lượng cao hoặc thậm chí là hợp kim titan. Bởi vì thiết kế của vật liệu nhựa thay đổi rất nhiều, ngoại hình rất khác nhau, và sừng phải thay đổi tương ứng. Hình dạng của bề mặt làm việc phải được kết hợp tốt với vật liệu, để không làm hỏng nhựa khi rung; đồng thời, tần số rắn dao động theo chiều dọc thứ nhất phải được phối hợp với tần số đầu ra của máy hàn, nếu không, năng lượng rung sẽ được tiêu thụ bên trong. Khi còi rung, tập trung căng thẳng cục bộ xảy ra. Làm thế nào để tối ưu hóa các cấu trúc địa phương cũng là một xem xét thiết kế. Bài viết này tìm hiểu cách áp dụng còi thiết kế ANSYS để tối ưu hóa các thông số thiết kế và dung sai sản xuất.

Thiết kế 3 sừng hàn

Như đã đề cập trước đó, thiết kế của sừng hàn là khá quan trọng. Có nhiều nhà cung cấp thiết bị siêu âm ở Trung Quốc tự sản xuất sừng hàn, nhưng một phần đáng kể trong số đó là hàng nhái, và sau đó họ liên tục cắt tỉa và thử nghiệm. Thông qua phương pháp điều chỉnh lặp đi lặp lại này, sự phối hợp giữa còi và tần số thiết bị đạt được. Trong bài báo này, phương pháp phần tử hữu hạn có thể được sử dụng để xác định tần số khi thiết kế còi. Kết quả kiểm tra còi và lỗi tần số thiết kế chỉ là 1%. Đồng thời, bài viết này giới thiệu khái niệm DFSS (Design For Six Sigma) để tối ưu hóa và thiết kế mạnh mẽ của còi. Khái niệm thiết kế 6-Sigma là thu thập đầy đủ tiếng nói của khách hàng trong quá trình thiết kế cho thiết kế mục tiêu; và xem xét trước các sai lệch có thể có trong quá trình sản xuất để đảm bảo rằng chất lượng của sản phẩm cuối cùng được phân phối ở mức hợp lý. Quá trình thiết kế được thể hiện trong Hình 2. Bắt đầu từ sự phát triển của các chỉ số thiết kế, cấu trúc và kích thước của còi được thiết kế ban đầu theo kinh nghiệm hiện có. Mô hình tham số được thiết lập trong ANSYS và sau đó mô hình được xác định bằng phương pháp thiết kế thí nghiệm mô phỏng (DOE). Các tham số quan trọng, theo các yêu cầu mạnh mẽ, xác định giá trị và sau đó sử dụng phương pháp vấn đề phụ để tối ưu hóa các tham số khác. Có tính đến ảnh hưởng của vật liệu và các thông số môi trường trong quá trình sản xuất và sử dụng còi, nó cũng được thiết kế với dung sai để đáp ứng các yêu cầu về chi phí sản xuất. Cuối cùng, thiết kế lý thuyết sản xuất, kiểm tra và thử nghiệm và lỗi thực tế, để đáp ứng các chỉ số thiết kế được phân phối. Giới thiệu chi tiết từng bước sau đây.

3.1 Thiết kế hình dạng hình học (thiết lập mô hình tham số)

Thiết kế sừng hàn trước tiên xác định hình dạng và cấu trúc hình học gần đúng của nó và thiết lập một mô hình tham số để phân tích tiếp theo. Hình 3 a) là thiết kế của sừng hàn phổ biến nhất, trong đó một số rãnh hình chữ U được mở theo hướng rung trên vật liệu xấp xỉ hình khối. Kích thước tổng thể là chiều dài của các hướng X, Y và Z, và kích thước bên X và Y thường tương đương với kích thước của phôi được hàn. Độ dài của Z bằng nửa bước sóng của sóng siêu âm, bởi vì trong lý thuyết rung động cổ điển, tần số trục thứ nhất của vật thể kéo dài được xác định bởi chiều dài của nó và độ dài nửa sóng được khớp chính xác với âm thanh tần số sóng. Thiết kế này đã được mở rộng. Sử dụng, có lợi cho sự lan truyền của sóng âm thanh. Mục đích của rãnh hình chữ U là để giảm sự mất rung động bên của sừng. Vị trí, kích thước và số lượng được xác định theo kích thước tổng thể của sừng. Có thể thấy rằng trong thiết kế này, có ít tham số có thể được điều chỉnh tự do, vì vậy chúng tôi đã thực hiện các cải tiến trên cơ sở này. Hình 3 b) là một chiếc sừng được thiết kế mới có một tham số kích thước lớn hơn thiết kế truyền thống: bán kính vòng cung ngoài R. Ngoài ra, rãnh được khắc trên bề mặt làm việc của sừng để hợp tác với bề mặt của phôi nhựa, có lợi để truyền năng lượng rung và bảo vệ phôi khỏi bị hư hại. Mô hình này được mô hình hóa thường xuyên trong ANSYS và sau đó là thiết kế thử nghiệm tiếp theo.

3.2 Thiết kế thí nghiệm DOE (xác định các thông số quan trọng)

DFSS được tạo ra để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế. Nó không theo đuổi sự hoàn hảo, nhưng hiệu quả và mạnh mẽ. Nó thể hiện ý tưởng về 6-Sigma, nắm bắt được mâu thuẫn chính và từ bỏ "99,97%", trong khi yêu cầu thiết kế phải có khả năng chống biến đổi môi trường khá cao. Do đó, trước khi thực hiện tối ưu hóa tham số đích, nó cần được sàng lọc trước và kích thước có ảnh hưởng quan trọng đến cấu trúc nên được chọn và giá trị của chúng phải được xác định theo nguyên tắc độ bền.

3.2.1 Cài đặt tham số DOE và DOE

Các thông số thiết kế là hình dạng sừng và vị trí kích thước của rãnh hình chữ U, vv, tổng cộng là tám. Tham số đích là tần số dao động dọc trục thứ nhất vì nó có ảnh hưởng lớn nhất đến mối hàn, ứng suất tập trung tối đa và chênh lệch biên độ bề mặt làm việc được giới hạn dưới dạng các biến trạng thái. Dựa trên kinh nghiệm, người ta cho rằng ảnh hưởng của các tham số đến kết quả là tuyến tính, do đó mỗi yếu tố chỉ được đặt thành hai mức, cao và thấp. Danh sách các tham số và tên tương ứng như sau.

DOE được thực hiện trong ANSYS bằng mô hình tham số được thiết lập trước đó. Do hạn chế của phần mềm, DOE đầy đủ yếu tố chỉ có thể sử dụng tối đa 7 tham số, trong khi mô hình có 8 tham số và phân tích kết quả DOE của ANSYS không toàn diện như phần mềm 6-sigma chuyên nghiệp và không thể xử lý tương tác. Do đó, chúng tôi sử dụng APDL để viết một vòng lặp DOE để tính toán và trích xuất kết quả của chương trình, sau đó đưa dữ liệu vào Minitab để phân tích.

3.2.2 Phân tích kết quả DOE

Phân tích DOE của Minitab được hiển thị trong Hình 4 và bao gồm phân tích các yếu tố ảnh hưởng chính và phân tích tương tác. Phân tích nhân tố ảnh hưởng chính được sử dụng để xác định thay đổi biến thiết kế nào có tác động lớn hơn đến biến mục tiêu, từ đó chỉ ra đâu là biến thiết kế quan trọng. Sự tương tác giữa các yếu tố sau đó được phân tích để xác định mức độ của các yếu tố và để giảm mức độ khớp nối giữa các biến thiết kế. So sánh mức độ thay đổi của các yếu tố khác khi một yếu tố thiết kế cao hay thấp. Theo tiên đề độc lập, thiết kế tối ưu không được ghép với nhau, vì vậy hãy chọn mức độ ít thay đổi.

Kết quả phân tích của sừng hàn trong bài báo này là: các thông số thiết kế quan trọng là bán kính vòng cung ngoài và chiều rộng khe của sừng. Mức của cả hai tham số là "cao", nghĩa là bán kính lấy giá trị lớn hơn trong DOE và chiều rộng rãnh cũng lấy giá trị lớn hơn. Các tham số quan trọng và giá trị của chúng đã được xác định, và sau đó một số tham số khác đã được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế trong ANSYS để điều chỉnh tần số còi phù hợp với tần số hoạt động của máy hàn. Quá trình tối ưu hóa như sau.

3.3 Tối ưu hóa tham số đích (tần số còi)

Các cài đặt tham số của tối ưu hóa thiết kế tương tự như của DOE. Sự khác biệt là các giá trị của hai tham số quan trọng đã được xác định và ba tham số khác có liên quan đến các thuộc tính vật liệu, được coi là nhiễu và không thể được tối ưu hóa. Ba tham số còn lại có thể được điều chỉnh là vị trí trục của khe, chiều dài và chiều rộng sừng. Việc tối ưu hóa sử dụng phương pháp xấp xỉ biểu đồ con trong ANSYS, đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong các vấn đề kỹ thuật và quy trình cụ thể bị bỏ qua.

Điều đáng chú ý là sử dụng tần số làm biến mục tiêu đòi hỏi một chút kỹ năng trong hoạt động. Do có nhiều thông số thiết kế và phạm vi biến đổi rộng, các chế độ rung của còi rất nhiều trong dải tần quan tâm. Nếu kết quả phân tích phương thức được sử dụng trực tiếp, rất khó tìm thấy chế độ trục thứ nhất, bởi vì chuỗi xen kẽ có thể xảy ra khi các tham số thay đổi, nghĩa là tần số tự nhiên tương ứng với chế độ ban đầu thay đổi. Do đó, bài viết này thông qua phân tích phương thức trước, sau đó sử dụng phương pháp chồng chất phương thức để thu được đường cong đáp ứng tần số. Bằng cách tìm giá trị đỉnh của đường cong đáp ứng tần số, nó có thể đảm bảo tần số phương thức tương ứng. Điều này rất quan trọng trong quá trình tối ưu hóa tự động, loại bỏ sự cần thiết phải xác định thủ công phương thức.

Sau khi hoàn thành tối ưu hóa, tần số làm việc thiết kế của còi có thể rất gần với tần số đích và sai số nhỏ hơn giá trị dung sai được chỉ định trong tối ưu hóa. Tại thời điểm này, thiết kế sừng về cơ bản được xác định, tiếp theo là dung sai sản xuất cho thiết kế sản xuất.

3.4 Thiết kế dung sai

Thiết kế kết cấu chung được hoàn thành sau khi tất cả các thông số thiết kế đã được xác định, nhưng đối với các vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là khi xem xét chi phí sản xuất hàng loạt, thiết kế dung sai là rất cần thiết. Chi phí cho độ chính xác thấp cũng giảm, nhưng khả năng đáp ứng các số liệu thiết kế đòi hỏi phải tính toán thống kê để tính toán định lượng. Hệ thống thiết kế xác suất PDS trong ANSYS có thể phân tích tốt hơn mối quan hệ giữa dung sai tham số thiết kế và dung sai tham số đích và có thể tạo các tệp báo cáo liên quan hoàn chỉnh.

3.4.1 Cài đặt và tính toán tham số PDS

Theo ý tưởng của DFSS, phân tích dung sai phải được thực hiện trên các thông số thiết kế quan trọng và các dung sai chung khác có thể được xác định theo kinh nghiệm. Tình huống trong bài báo này khá đặc biệt, vì theo khả năng gia công, dung sai chế tạo của các thông số thiết kế hình học là rất nhỏ, và ít ảnh hưởng đến tần số còi cuối cùng; trong khi các thông số của nguyên liệu thô khác nhau rất nhiều do các nhà cung cấp và giá nguyên liệu thô chiếm hơn 80% chi phí xử lý còi. Do đó, cần phải thiết lập một phạm vi dung sai hợp lý cho các thuộc tính vật liệu. Các tính chất vật liệu liên quan ở đây là mật độ, mô đun đàn hồi và tốc độ lan truyền sóng âm.

Phân tích dung sai sử dụng mô phỏng Monte Carlo ngẫu nhiên trong ANSYS để lấy mẫu phương pháp Hypercube Latin vì nó có thể làm cho việc phân phối các điểm lấy mẫu thống nhất và hợp lý hơn và có được mối tương quan tốt hơn với ít điểm hơn. Bài viết này đặt 30 điểm. Giả sử rằng dung sai của ba tham số vật liệu được phân phối theo Gauss, ban đầu được đưa ra giới hạn trên và dưới, sau đó được tính toán trong ANSYS.

3.4.2 Phân tích kết quả PDS

Thông qua tính toán của PDS, các giá trị biến mục tiêu tương ứng với 30 điểm lấy mẫu được đưa ra. Sự phân phối của các biến mục tiêu là không rõ. Các tham số được trang bị lại bằng phần mềm Minitab và tần số được phân phối cơ bản theo phân phối chuẩn. Điều này đảm bảo lý thuyết thống kê phân tích dung sai.

Tính toán PDS đưa ra một công thức phù hợp từ biến thiết kế đến mở rộng dung sai của biến mục tiêu: trong đó y là biến mục tiêu, x là biến thiết kế, c là hệ số tương quan và i là số biến.

Theo đó, dung sai mục tiêu có thể được chỉ định cho từng biến thiết kế để hoàn thành nhiệm vụ thiết kế dung sai.

3.5 Xác minh thử nghiệm

Phần trước là quá trình thiết kế của toàn bộ sừng hàn. Sau khi hoàn thành, các nguyên liệu thô được mua theo dung sai vật liệu cho phép của thiết kế, và sau đó được giao cho nhà sản xuất. Kiểm tra tần suất và phương thức được thực hiện sau khi hoàn thành sản xuất và phương pháp thử được sử dụng là phương pháp thử bắn tỉa đơn giản và hiệu quả nhất. Bởi vì chỉ số được quan tâm nhất là tần số phương thức trục thứ nhất, cảm biến gia tốc được gắn vào bề mặt làm việc và đầu kia được đánh dọc theo hướng dọc trục và tần số thực tế của còi có thể thu được bằng phân tích quang phổ. Kết quả mô phỏng của thiết kế là 14925 Hz, kết quả thử nghiệm là 14954 Hz, độ phân giải tần số là 16 Hz và sai số tối đa nhỏ hơn 1%. Có thể thấy rằng độ chính xác của mô phỏng phần tử hữu hạn trong tính toán phương thức là rất cao.

Sau khi vượt qua thử nghiệm thử nghiệm, sừng được đưa vào sản xuất và lắp ráp trên máy hàn siêu âm. Các điều kiện phản ứng là tốt. Công việc đã ổn định trong hơn nửa năm và tỷ lệ chất lượng hàn cao, đã vượt quá thời gian phục vụ ba tháng được hứa hẹn bởi nhà sản xuất thiết bị nói chung. Điều này cho thấy thiết kế thành công và quy trình sản xuất không được sửa đổi và điều chỉnh nhiều lần, tiết kiệm thời gian và nhân lực.

4. Kết luận

Bài viết này bắt đầu với nguyên tắc hàn nhựa siêu âm, nắm bắt sâu sắc trọng tâm kỹ thuật của hàn và đề xuất khái niệm thiết kế của còi mới. Sau đó, sử dụng chức năng mô phỏng mạnh mẽ của phần tử hữu hạn để phân tích thiết kế một cách cụ thể và giới thiệu ý tưởng thiết kế 6-Sigma của DFSS và kiểm soát các tham số thiết kế quan trọng thông qua thiết kế thử nghiệm ANS DOE và phân tích dung sai PDS để đạt được thiết kế mạnh mẽ. Cuối cùng, còi đã được sản xuất thành công một lần và thiết kế hợp lý bằng thử nghiệm tần số thử nghiệm và xác minh sản xuất thực tế. Nó cũng chứng minh rằng bộ phương pháp thiết kế này là khả thi và hiệu quả.