超音波溶接の角のFEM ANSYSのパラメータ最適化そして確率の設計を使用する方法

超音波溶接の角のFEM ANSYSのパラメータ最適化そして確率の設計を使用する方法

序文

超音波技術の開発によって、適用はますます広範です小さいほこりをきれいにするのに、使用しまた溶接金属かプラスチックに使用することができます。特に今日のプラスチック プロダクトで、超音波溶接は大抵ねじ構造が省略されるので、出現より完全である場合もあります使用され防水およびdustproofingの機能はまた提供されます。プラスチック溶接の角の設計に最終的な溶接の質および生産能力の重要な影響があります。新しい電気メートルの生産では上部および下の表面を一緒に溶かすのに、超音波が使用されています。但し、使用の間に、ある角が機械で取付けられ、割れ、そして他の失敗が短いある一定の時間に行われることが分られます。溶接の角は欠陥率高いです。さまざまな欠陥に生産のかなりの影響がありました。理解に従って、装置の製造者に繰り返された修理によって角のための極限設計の機能が、頻繁に設計表示器を達成するあり。従って、耐久の角および適度な設計法を開発するのに私達の自身の科学技術の利点を使用することは必要です。

2超音波プラスチック溶接の主義

超音波プラスチック溶接は高周波強制振動のthermoplasticsの組合せを利用する、溶接の表面はローカルに高温に溶けることを作り出すために互いに摩擦します処理方法であり。よい超音波溶接の結果を、装置達成するためには、材料およびプロセス パラメータは要求されます。次は主義へ短い導入です。

2.1超音波プラスチック溶接システム

図1は溶接システムの図式的な概観です。電気エネルギーは信号発電機および電力増幅器を通してトランスデューサー（圧電気の陶磁器）に適用される超音波頻度（> 20のkHz）の交互になる電気的信号を作り出すために渡されます。トランスデューサーを通して、電気エネルギーは機械振動のエネルギーになり、機械振動の広さは適切な働く広さに角によって調節され、次に材料にそれと接触して角を通して均一に送信されます。2つの溶接材料の接触表面は高周波強制振動に服従し、摩擦熱はローカルに高温に溶けることを発生させます。冷却の後で溶接を達成するために、材料は結合されます。

溶接システムでは、信号の源は頻度安定性および駆動機構が機械の性能に影響を与える電力増幅器回路を含んでいる回路の部品です。材料は熱可塑性であり、すぐに熱およびドックを発生させる方法を共同表面の設計は考慮する必要があります。トランスデューサー、角および角はすべて振動のカップリングの容易な分析のための機械構造として考慮することができます。プラスチック溶接では、機械振動は縦波の形で送信されます。方法効果的にエネルギーを移し広さを調節する設計の要点です。

2.2horn

角は超音波溶接機械と材料間の接触インターフェイスとして役立ちます。その主関数はvariatorによって均等にそして効率的にoutputted材料へ縦方向の機械振動を送信することです。使用される材料は通常良質のアルミ合金また更にチタニウムの合金です。プラスチックの設計がたくさん変わるので、出現は非常に異なって、角はそれに応じて変わらなければなりません。働き表面の形は材料と振動した場合ためにプラスチックを傷つけないためによく一致するべきです;同時に、1次縦方向の振動固体頻度は溶接機の出力頻度と調整されるべきです他では振動エネルギーは内部的に消費されます。角が振動するとき、ローカル応力集中は起こります。方法これらのローカル構造を最大限に活用するまた設計考察です。この記事は設計パラメータおよび製造業の許容を最大限に活用するためにANSYSの設計角を加える方法を探検します。

3溶接の角の設計

上記されるように、溶接の角の設計はかなり重要です。彼らの自身の溶接の角を、それらのかなりの部分は模造であり作り出すが、それから絶えず整って、テストしています中国に多くの超音波装置の製造者があります。この繰り返された調節方法によって、角および装置の頻度の調整は達成されます。このペーパーでは頻度を定めるのに、角を設計するとき有限要素法が使用することができます。角の試験結果および設計周波数エラーは1%だけです。同時に、このペーパーは最大限に活用するためにDFSS （6シグマのための設計）の概念および角の強い設計をもたらします。6シグマ設計の概念は十分に目標とされた設計のための設計過程の顧客からの声を集めることです;そして最終製品の質が適度なレベルの内で配られることを確認する工程の可能な偏差の前考察。設計過程は設計表示器の開発、構造から始まって図2.で示され、角の次元は既存の経験に従って最初に設計されています。母数模型はANSYSに確立され、それからモデルはシミュレーション実験の設計（雌ジカ）方法によって定められます。重要な変数は、強い条件に従って、価値を定め、次に他の変数を最大限に活用するのに副問題方法を使用します。材料および環境変数の影響および角の使用を製造の間に考慮に入れて、また許容と製造原価の条件を満たすことを設計しました。最後に、製造業、テストおよびテスト理論の設計および実際の間違い、渡される設計表示器に合うため。次の段階的で詳しい導入。

3.1幾何学的な形の設計（母数模型を確立する）

溶接の角を設計して最初におおよその幾何学的な形および構造を定め、それに続く分析のための母数模型を確立します。図3 a）はいくつかのU字型溝がおよそ立方形の材料の振動の方に開く共通の溶接の角の設計です。全体寸法はX、YおよびZの方向の長さであり、側面次元はXおよびY一般に溶接される工作物のサイズと対等です。Zの長さは古典的な振動理論で、細長い目的の1次軸頻度が長さによって定められる、半波長さは音波の頻度と丁度一致しますので、超音波の半分波長と等しく。この設計は拡張されました。使用は、音波の広がりに有利です。U字型溝の目的は角の側面振動の損失を減らすことです。位置、サイズおよび数は角の全面的なサイズに従って断固としたです。それはこの設計に、自由に調整することができる従って私達はこの基礎で改善をしました少数の変数があること見ることができます。図3 b）は従来の設計より1つのより多くのサイズ変数がある最近設計されていた角です:さらに外アークの半径R.は角の働き表面で振動エネルギーを送信し、損傷から工作物を保護して有利であるプラスチック工作物の表面に協力するために、溝刻まれます。次にこのモデルはANSYSおよび次の実験設計で定期的にパラメトリックに模倣されます。

3.2雌ジカの実験設計（重要な変数の決定）

DFSSは実用的な工学問題を解決するために作成されます。それは完全さを追求しませんが、有効、強いです。それは環境の可変性に対してかなり抵抗力があるように設計が要求している間6シグマの考えを具体化し、主要な否定を捕獲し、そして「99.97%"を断念します。従って、ターゲット パラメータ最適化を作る前に、それは最初に選別され構造の重要な影響が選ばれるべきであるあるサイズおよび価値は強さの主義に従って断固としたなべきです。

3.2.1雌ジカ変数設定および雌ジカ

設計パラメータはU字型溝の角の形およびサイズの位置、等の8の合計です。ターゲット変数は溶接の最も大きい影響がある、働き表面の広さの最高によって集中される圧力そして相違は状態変数として限られますので1次軸振動頻度であり。結果に対する変数の効果が線形である、従って各要因は2つのレベル、高低にだけ置かれますことが経験に基づいて、仮定されます。変数および対応する名前のリストは次の通りです。

雌ジカは前に確立された母数模型を使用してANSYSで行われます。モデルに8つの変数があり、ANSYSが雌ジカの結果の分析専門6シグマ ソフトウェア程に広範囲でし、相互作用を扱うことができないがソフトウェア限定、全要因雌ジカが原因で7つまでの変数しか使用なできます。従って、私達は計算し、分析のためのプログラムの結果を得、次にMinitabにデータを入れるために雌ジカのループを書くのにAPDLを使用します。

3.2.2雌ジカの結果の分析

Minitabの雌ジカの分析は図4で示され、主要な影響を及ぼす要因分析および相互作用の分析を含まれています。主要な影響を及ぼす要因分析がどの設計可変的な変更が目標変数のより大きい影響があるか定めるのに、それにより重要な設計変数はであるかどれ示します使用され。要因間の相互作用はそれから要因のレベルを定め、設計変数間のカップリングのある程度を減らすために分析されます。設計要素が高くまたは低いとき他の要因の変更のある程度を比較して下さい。独立した公理に従って、最適設計は互いにつながれません、従ってより少なく可変的であるレベルを選んで下さい。

このペーパーの溶接の角の分析の結果は次のとおりです:重要な設計パラメータは角の外アークの半径そしてスロット幅です。両方の変数のレベルは「高いです」、すなわち、半径は雌ジカの大きい価値を取り、腔線幅はまた大きい価値を取ります。重要な変数および価値は断固としたであり、溶接機の動作周波数に一致させるために角の頻度を調節するようにANSYSの設計を最大限に活用するのにそれから他の複数の変数が使用されました。最適化プロセスは次の通りです。

3.3ターゲット パラメータ最適化（角の頻度）

設計最適化の変数設定は雌ジカのそれらに類似しています。相違は2つの重要な変数の価値が定められた、他の3つの変数は騒音とみなされ、最大限に活用することができない物質的な特性と関連していますことであり。調節することができる残りの3つの変数はスロットの軸位置、長さおよび角の幅です。最適化は工学問題の広く利用された方法である、特定のプロセスは省略されますANSYSで副問題の近似方法を使用し。

目標変数として頻度を使用することが作動中少し技術を必要とすることは無益です。多くの設計パラメータそして広い変化の範囲があるので、角の振動モードは興味の周波数範囲の多数あります。モード解析の結果が直接使用されれば、変数が元のモード変更に相当して、すなわち、自由振動数の序数を変えるとき形態上順序インターリービングが行われるかもしれないので1次軸モードを見つけることは困難です。従って、このペーパーはモード解析を最初に採用し、次に周波数応答のカーブを得るのに形態上の重ね合わせ方法を使用します。周波数応答のカーブのピーク値を見つけることによって、それは対応する形態上の頻度を保障できます。これは手動で様相を定める必要性を除去する自動最適化プロセスで非常に重要です。

最適化が完了した後、角の設計働く頻度はターゲット頻度に非常に近い場合もあり間違いは最適化で指定される許容価値未満です。この時点で、角の設計は基本的に断固とした、生産の設計のための製造の許容によって続かれてです。

3.4許容設計

一般的な構造設計は問題を設計するために特に大量生産の費用を考慮するとき、許容設計が必要である、完了された結局設計パラメータ定められました、ですが。低い精密の費用はまた減りますが、設計測定基準に会う機能は量的な計算のために統計的な計算を要求します。ANSYSのPDSの確率の設計システムはよりよく設計パラメータの許容とターゲット変数許容間の関係を分析完全な関連のレポート ファイルを発生できます。

3.4.1 PDS変数設定および計算

DFSSの考えに従って、許容分析は重要な設計パラメータで行われるべきで他の一般的な許容は経験的に定めることができます。このペーパーの状態は機械化の能力に従って、幾何学的設計変数の製造業の許容が非常に小さい、で最終的な角の頻度に対する僅かな影響をもたらしますのでかなり特別;原料の変数が製造者が別の原因、および原料の記述の価格ののための角の加工費の80%以上非常に間。従って、物質的な特性のための適度な許容範囲を置くことは必要です。ここの関連した物質的な特性は密度、弾性係数および電波伝播音速です。

許容分析はANSYSで適度見本抽出ポイントの配分により多くのユニフォームをすることができる使用し、少数のポイントよりよい相関関係を得ますのでHypercubeラテン系の方法を見本抽出するのにモンテ カルロの任意シミュレーションを。このペーパーは30ポイントを置きます。3つの物質的な変数の許容が最初に上部および低限があるGaussに従って、配られるおよびANSYSでそれから計算されてと仮定して下さい。

3.4.2 PDSの結果の分析

PDSの計算によって、30の見本抽出ポイントに相当する目標変数の価値は与えられます。目標変数の配分は未知です。変数はMinitabソフトウェアを使用して再度合い、頻度は正規分布に従って基本的に配られます。これは許容分析の統計理論を保障します。

PDSの計算は設計変数からの目標変数の許容拡張に適切な方式を与えます:yが目標変数である一方、xは設計変数です、cは相関係数であり、iは可変的な数です。

これに従って許容設計の仕事を完了するために、ターゲット許容は各設計変数に割り当てることができます。

3.5実験証明

前部は全体の溶接の角の設計過程です。完了の後で、原料は設計によって許可され、次に製造業に提供される物質的な許容に従って購入されます。製造が完了した、使用されるテスト方法が最も簡単で、最も有効な狙撃兵テスト方法である後頻度および形態上のテストは行われます。最も心配した索引が1次軸形態上の頻度であるので、加速センサーは働き表面に付し、もう一方の端は軸方向に沿って打たれ、角の実際の頻度は分光分析によって得ることができます。設計のシミュレーションの結果は14925のHzです、試験結果は14954のHzです、頻度決断は16のHzであり、最高の間違いは1%よりより少しです。それは形態上の計算の有限な要素のシミュレーションの正確さが非常に高いこと見ることができます。

実験テストに合格した後、角は超音波溶接機械で生産およびアセンブリに入ります。反作用の状態はよいです。仕事は年半分のより多くのために安定して、一般的な設備製造業者によって約束される3ヶ月の耐用年数を超過した溶接の資格率は高いです。これは設計が巧妙である、製造工程は繰り返し調節された、セービングの時間およびマンパワー変更されないし、ことを示し。

4結論

このペーパーは超音波プラスチック溶接の原則から始まり、深く溶接の技術的な焦点をつかみ、そして新しい角の設計思想を提案します。それから設計を具体的に分析するのに有限な要素の強力なシミュレーション機能を使用しDFSSの6シグマ設計考えをもたらし、そしてANSYSの雌ジカの実験設計およびPDSの許容分析によって強い設計を達成するために重要な設計パラメータを制御して下さい。最後に、角は首尾よく一度製造され、設計は実験頻度テストおよび実際の生産の証明によって適度でした。設計法のこのセットが実行可能、有効であるとまた証明します。