Comment utiliser l'optimisation des paramètres FEM ANSYS et la conception probabiliste du cornet de soudage par ultrasons

Comment utiliser l'optimisation des paramètres FEM ANSYS et la conception probabiliste du cornet de soudage par ultrasons

 

 

Avant-propos

Avec le développement de la technologie ultrasonique, son application est de plus en plus étendue, elle peut être utilisée pour nettoyer de minuscules particules de saleté et elle peut également être utilisée pour souder du métal ou du plastique. Surtout dans les produits en plastique d'aujourd'hui, le soudage par ultrasons est principalement utilisé, car la structure de la vis est omise, l'apparence peut être plus parfaite et la fonction d'imperméabilisation et de protection contre la poussière est également assurée. La conception du cornet de soudage en plastique a un impact important sur la qualité finale du soudage et la capacité de production. Dans la production de nouveaux compteurs électriques, des ondes ultrasonores sont utilisées pour fusionner les faces supérieure et inférieure. Cependant, lors de l'utilisation, on constate que certains klaxons sont installés sur la machine et fissurés et d'autres pannes se produisent en peu de temps. Certains cornes de soudage Le taux de défauts est élevé. Divers défauts ont eu un impact considérable sur la production. Selon l'accord, les fournisseurs d'équipements ont des capacités de conception limitées pour le klaxon, et souvent par des réparations répétées pour atteindre les indicateurs de conception. Par conséquent, il est nécessaire d’utiliser nos propres avantages technologiques pour développer un klaxon durable et une méthode de conception raisonnable.

2 Principe de soudage plastique par ultrasons

Le soudage plastique par ultrasons est une méthode de traitement qui utilise la combinaison de thermoplastiques dans des vibrations forcées à haute fréquence, et les surfaces de soudage frottent les unes contre les autres pour produire une fusion locale à haute température. Afin d'obtenir de bons résultats de soudage par ultrasons, des équipements, des matériaux et des paramètres de processus sont nécessaires. Ce qui suit est une brève introduction à son principe.

2.1 Système de soudage plastique par ultrasons

La figure 1 est une vue schématique d'un système de soudage. L'énergie électrique passe à travers le générateur de signal et l'amplificateur de puissance pour produire un signal électrique alternatif de fréquence ultrasonique (> 20 kHz) qui est appliqué au transducteur (céramique piézoélectrique). Grâce au transducteur, l'énergie électrique devient l'énergie de la vibration mécanique, et l'amplitude de la vibration mécanique est ajustée par le cornet à l'amplitude de travail appropriée, puis uniformément transmise au matériau en contact avec lui à travers le cornet. Les surfaces de contact des deux matériaux de soudage sont soumises à des vibrations forcées à haute fréquence et la chaleur de friction génère une fusion locale à haute température. Après refroidissement, les matériaux sont combinés pour réaliser le soudage.

 

Dans un système de soudage, la source de signal est une partie de circuit qui contient un circuit amplificateur de puissance dont la stabilité de fréquence et la capacité de commande affectent les performances de la machine. Le matériau est un thermoplastique et la conception de la surface du joint doit tenir compte de la manière de générer rapidement de la chaleur et de l'amarrer. Les transducteurs, cornes et pavillons peuvent tous être considérés comme des structures mécaniques pour une analyse aisée du couplage de leurs vibrations. Lors du soudage du plastique, les vibrations mécaniques sont transmises sous forme d'ondes longitudinales. Comment transférer efficacement l’énergie et ajuster l’amplitude est le point principal de la conception.

2.2corne

Le klaxon sert d'interface de contact entre la machine de soudage par ultrasons et le matériau. Sa fonction principale est de transmettre la vibration mécanique longitudinale émise par le variateur de manière uniforme et efficace au matériau. Le matériau utilisé est généralement un alliage d’aluminium de haute qualité ou même un alliage de titane. Parce que la conception des matières plastiques change beaucoup, l'apparence est très différente et le klaxon doit changer en conséquence. La forme de la surface de travail doit être bien adaptée au matériau, afin de ne pas endommager le plastique lors des vibrations ; dans le même temps, la fréquence solide des vibrations longitudinales de premier ordre doit être coordonnée avec la fréquence de sortie de la machine à souder, sinon l'énergie de vibration sera consommée en interne. Lorsque le cornet vibre, une concentration locale de contraintes se produit. La manière d’optimiser ces structures locales est également une considération de conception. Cet article explique comment appliquer le cornet de conception ANSYS pour optimiser les paramètres de conception et les tolérances de fabrication.

Conception à 3 cornes de soudage

Comme mentionné précédemment, la conception du cornet de soudage est très importante. Il existe de nombreux fournisseurs d'équipements à ultrasons en Chine qui produisent leurs propres cornes de soudage, mais une partie considérable d'entre eux sont des imitations, et ils sont ensuite constamment coupés et testés. Grâce à cette méthode de réglage répétée, la coordination de la fréquence du klaxon et de l'équipement est obtenue. Dans cet article, la méthode des éléments finis peut être utilisée pour déterminer la fréquence lors de la conception du pavillon. Le résultat du test du klaxon et l'erreur de fréquence de conception ne sont que de 1 %. Dans le même temps, cet article introduit le concept de DFSS (Design For Six Sigma) pour optimiser et rendre robuste la conception du klaxon. Le concept de la conception 6-Sigma est de recueillir pleinement la voix du client dans le processus de conception pour une conception ciblée ; et un examen préalable des écarts possibles dans le processus de production pour garantir que la qualité du produit final est répartie à un niveau raisonnable. Le processus de conception est illustré à la figure 2. À partir du développement des indicateurs de conception, la structure et les dimensions du pavillon sont initialement conçues en fonction de l'expérience existante. Le modèle paramétrique est établi dans ANSYS, puis le modèle est déterminé par la méthode de conception d'expériences de simulation (DOE). Les paramètres importants, en fonction des exigences robustes, déterminent la valeur, puis utilisent la méthode des sous-problèmes pour optimiser d'autres paramètres. Tenant compte de l'influence des matériaux et des paramètres environnementaux lors de la fabrication et de l'utilisation du cornet, celui-ci a également été conçu avec des tolérances pour répondre aux exigences de coûts de fabrication. Enfin, la conception de la fabrication, des tests et de la théorie des tests et l'erreur réelle, pour répondre aux indicateurs de conception fournis. L'introduction détaillée étape par étape suivante.

3.1 Conception de formes géométriques (établissement d'un modèle paramétrique)

La conception du cornet de soudage détermine d'abord sa forme géométrique et sa structure approximatives et établit un modèle paramétrique pour une analyse ultérieure. La figure 3 a) est la conception du cornet de soudage le plus courant, dans lequel un certain nombre de rainures en forme de U sont ouvertes dans le sens de la vibration sur un matériau approximativement cuboïde. Les dimensions hors tout sont les longueurs des directions X, Y et Z, et les dimensions latérales X et Y sont généralement comparables à la taille de la pièce à souder. La longueur de Z est égale à la demi-longueur d'onde de l'onde ultrasonore, car dans la théorie classique des vibrations, la fréquence axiale de premier ordre de l'objet allongé est déterminée par sa longueur, et la demi-longueur d'onde correspond exactement à la fréquence de l'onde acoustique. Cette conception a été étendue. Son utilisation est bénéfique à la propagation des ondes sonores. Le but de la rainure en forme de U est de réduire la perte de vibration latérale du pavillon. La position, la taille et le nombre sont déterminés en fonction de la taille globale du cornet. On peut voir que dans cette conception, il y a moins de paramètres pouvant être librement régulés, c'est pourquoi nous avons apporté des améliorations sur cette base. La figure 3 b) est un cornet de conception nouvelle qui présente un paramètre de taille de plus que la conception traditionnelle : le rayon de l'arc extérieur R. De plus, la rainure est gravée sur la surface de travail du cornet pour coopérer avec la surface de la pièce en plastique, ce qui est bénéfique pour transmettre l'énergie vibratoire et protéger la pièce contre les dommages. Ce modèle est régulièrement modélisé paramétriquement dans ANSYS, puis dans le plan expérimental suivant.

3.2 Conception expérimentale du DOE (détermination des paramètres importants)

DFSS est créé pour résoudre des problèmes d'ingénierie pratiques. Il ne recherche pas la perfection, mais est efficace et robuste. Il incarne l'idée du 6-Sigma, capture la contradiction principale et abandonne « 99,97 % », tout en exigeant que la conception soit assez résistante à la variabilité environnementale. Par conséquent, avant d’optimiser les paramètres cibles, ceux-ci doivent d’abord être examinés, la taille qui a une influence importante sur la structure doit être sélectionnée et leurs valeurs doivent être déterminées selon le principe de robustesse.

3.2.1 Paramétrage du DOE et DOE

Les paramètres de conception sont la forme du cornet et la position dimensionnelle de la rainure en forme de U, etc., soit un total de huit. Le paramètre cible est la fréquence de vibration axiale de premier ordre car elle a la plus grande influence sur la soudure, et la contrainte concentrée maximale et la différence d'amplitude de la surface de travail sont limitées en tant que variables d'état. Sur la base de l'expérience, on suppose que l'effet des paramètres sur les résultats est linéaire, de sorte que chaque facteur n'est défini qu'à deux niveaux, haut et bas. La liste des paramètres et des noms correspondants est la suivante.

Le DOE est réalisé dans ANSYS en utilisant le modèle paramétrique précédemment établi. En raison des limitations du logiciel, le DOE complet ne peut utiliser que jusqu'à 7 paramètres, alors que le modèle comporte 8 paramètres, et l'analyse des résultats du DOE par ANSYS n'est pas aussi complète qu'un logiciel professionnel 6-sigma et ne peut pas gérer l'interaction. Par conséquent, nous utilisons APDL pour écrire une boucle DOE afin de calculer et d'extraire les résultats du programme, puis nous plaçons les données dans Minitab pour analyse.

3.2.2 Analyse des résultats du DOE

L'analyse DOE de Minitab est présentée dans la figure 4 et comprend l'analyse des principaux facteurs d'influence et l'analyse des interactions. L'analyse des principaux facteurs d'influence est utilisée pour déterminer quels changements de variable de conception ont un impact plus important sur la variable cible, indiquant ainsi quelles sont les variables de conception importantes. L'interaction entre les facteurs est ensuite analysée pour déterminer le niveau des facteurs et réduire le degré de couplage entre les variables de conception. Comparez le degré de changement d'autres facteurs lorsqu'un facteur de conception est élevé ou faible. Selon l'axiome indépendant, les conceptions optimales ne sont pas couplées les unes aux autres, choisissez donc le niveau le moins variable.

Les résultats de l'analyse du cornet de soudage dans cet article sont les suivants : les paramètres de conception importants sont le rayon de l'arc extérieur et la largeur de fente du cornet. Le niveau des deux paramètres est « élevé », c'est-à-dire que le rayon prend une valeur plus grande dans le DOE et que la largeur de la rainure prend également une valeur plus grande. Les paramètres importants et leurs valeurs ont été déterminés, puis plusieurs autres paramètres ont été utilisés pour optimiser la conception dans ANSYS afin d'ajuster la fréquence du klaxon pour qu'elle corresponde à la fréquence de fonctionnement de la machine à souder. Le processus d'optimisation est le suivant.

3.3 Optimisation des paramètres cibles (fréquence du cornet)

Les réglages des paramètres de l’optimisation de la conception sont similaires à ceux du DOE. La différence est que les valeurs de deux paramètres importants ont été déterminées et que les trois autres paramètres sont liés aux propriétés du matériau, qui sont considérées comme du bruit et ne peuvent pas être optimisées. Les trois paramètres restants pouvant être ajustés sont la position axiale de la fente, la longueur et la largeur du cornet. L'optimisation utilise la méthode d'approximation de sous-problèmes dans ANSYS, qui est une méthode largement utilisée dans les problèmes d'ingénierie, et le processus spécifique est omis.

Il convient de noter que l’utilisation de la fréquence comme variable cible nécessite un peu de compétences opérationnelles. Étant donné qu'il existe de nombreux paramètres de conception et une large plage de variations, les modes de vibration du pavillon sont nombreux dans la plage de fréquences d'intérêt. Si le résultat de l'analyse modale est directement utilisé, il est difficile de trouver le mode axial de premier ordre, car l'entrelacement de la séquence modale peut se produire lorsque les paramètres changent, c'est-à-dire que l'ordinal de fréquence naturelle correspondant au mode d'origine change. Par conséquent, cet article adopte d'abord l'analyse modale, puis utilise la méthode de superposition modale pour obtenir la courbe de réponse en fréquence. En trouvant la valeur maximale de la courbe de réponse en fréquence, il peut garantir la fréquence modale correspondante. Ceci est très important dans le processus d’optimisation automatique, éliminant le besoin de déterminer manuellement la modalité.

Une fois l'optimisation terminée, la fréquence de fonctionnement de conception du klaxon peut être très proche de la fréquence cible et l'erreur est inférieure à la valeur de tolérance spécifiée dans l'optimisation. À ce stade, la conception du pavillon est essentiellement déterminée, suivie des tolérances de fabrication pour la conception de production.

3.4 Calcul des tolérances

La conception structurelle générale est terminée une fois que tous les paramètres de conception ont été déterminés, mais pour les problèmes d'ingénierie, en particulier lorsque l'on considère le coût de production en série, la conception avec tolérances est essentielle. Le coût d'une faible précision est également réduit, mais la capacité à respecter les paramètres de conception nécessite des calculs statistiques pour les calculs quantitatifs. Le système de conception de probabilité PDS dans ANSYS peut mieux analyser la relation entre la tolérance des paramètres de conception et la tolérance des paramètres cibles, et peut générer des fichiers de rapport complets associés.

3.4.1 Réglages et calculs des paramètres PDS

Selon l'idée du DFSS, l'analyse des tolérances doit être effectuée sur des paramètres de conception importants et d'autres tolérances générales peuvent être déterminées de manière empirique. La situation dans cet article est assez particulière, car selon la capacité d'usinage, la tolérance de fabrication des paramètres de conception géométrique est très faible et a peu d'effet sur la fréquence finale du cornet ; tandis que les paramètres des matières premières sont très différents en raison des fournisseurs, et le prix des matières premières représente plus de 80 % des coûts de traitement de la corne. Il est donc nécessaire de définir une plage de tolérance raisonnable pour les propriétés du matériau. Les propriétés matérielles pertinentes ici sont la densité, le module d’élasticité et la vitesse de propagation des ondes sonores.

L'analyse de tolérance utilise la simulation aléatoire de Monte Carlo dans ANSYS pour échantillonner la méthode Latin Hypercube, car elle peut rendre la distribution des points d'échantillonnage plus uniforme et raisonnable, et obtenir une meilleure corrélation avec moins de points. Ce document fixe 30 points. Supposons que les tolérances des trois paramètres du matériau soient distribuées selon Gauss, initialement dotées d'une limite supérieure et inférieure, puis calculées dans ANSYS.

3.4.2 Analyse des résultats du PDS

Grâce au calcul du PDS, les valeurs des variables cibles correspondant à 30 points d'échantillonnage sont données. La distribution des variables cibles est inconnue. Les paramètres sont réajustés à l'aide du logiciel Minitab et la fréquence est essentiellement distribuée selon la distribution normale. Cela garantit la théorie statistique de l'analyse de la tolérance.

Le calcul PDS donne une formule d'ajustement de la variable de conception à l'expansion des tolérances de la variable cible : où y est la variable cible, x est la variable de conception, c est le coefficient de corrélation et i est le nombre de variable.

 

Selon cela, la tolérance cible peut être attribuée à chaque variable de conception pour terminer la tâche de conception de tolérance.

3.5 Vérification expérimentale

La partie avant est le processus de conception de l’ensemble du cornet de soudage. Une fois terminés, les matières premières sont achetées selon les tolérances matérielles autorisées par la conception, puis livrées à la fabrication. Les tests de fréquence et modaux sont effectués une fois la fabrication terminée, et la méthode de test utilisée est la méthode de test de tireur d'élite la plus simple et la plus efficace. Étant donné que l'indice le plus concerné est la fréquence modale axiale de premier ordre, le capteur d'accélération est fixé à la surface de travail et l'autre extrémité est frappée dans la direction axiale, et la fréquence réelle du cornet peut être obtenue par analyse spectrale. Le résultat de la simulation de la conception est de 14 925 Hz, le résultat du test est de 14 954 Hz, la résolution en fréquence est de 16 Hz et l'erreur maximale est inférieure à 1 %. On peut constater que la précision de la simulation par éléments finis dans le calcul modal est très élevée.

Après avoir réussi le test expérimental, le klaxon est mis en production et assemblé sur la machine de soudage par ultrasons. Les conditions de réaction sont bonnes. Les travaux sont stables depuis plus de six mois et le taux de qualification en soudage est élevé, qui a dépassé la durée de vie de trois mois promise par l'équipementier général. Cela montre que la conception est réussie et que le processus de fabrication n'a pas été modifié et ajusté à plusieurs reprises, ce qui permet d'économiser du temps et de la main d'œuvre.

4 Conclusion

Cet article commence par le principe du soudage plastique par ultrasons, saisit en profondeur l'aspect technique du soudage et propose le concept de conception d'un nouveau klaxon. Utilisez ensuite la puissante fonction de simulation d'éléments finis pour analyser la conception concrètement, introduisez l'idée de conception 6-Sigma de DFSS et contrôlez les paramètres de conception importants grâce à la conception expérimentale ANSYS DOE et à l'analyse de tolérance PDS pour obtenir une conception robuste. Finalement, le klaxon a été fabriqué avec succès une fois, et la conception était raisonnable d'après le test de fréquence expérimental et la vérification réelle de la production. Cela prouve également que cet ensemble de méthodes de conception est réalisable et efficace.