超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的有限元分析*

蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇蘇州 215009

1 課題的提出

1950年，美國人發(fā)明了一種超聲焊接技術(shù)，用于特種連接。隨后，日本、瑞士、英國、德國等研究人員先后對這一技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。超聲焊接是利用超聲振動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊件粘結(jié)的技術(shù)，在焊接區(qū)通過摩擦的方式將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能［1］，焊接區(qū)產(chǎn)生局部高溫使焊件達(dá)到熔點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對熱塑性塑料的焊接。相較于傳統(tǒng)的焊接方法，超聲焊接可以有效提高焊接效率和焊接質(zhì)量，并且具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，符合綠色生產(chǎn)的理念。

基于超聲振動(dòng)塑料焊接的原理，筆者設(shè)計(jì)了一種新型超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、外型小巧、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。筆者同時(shí)應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)的振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析?；谟邢拊治鼋Y(jié)果，可以對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)的振子進(jìn)行方便快捷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子結(jié)構(gòu)

如圖1所示，超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子由超聲換能器、變幅桿和工具頭組成，其中超聲換能器由前蓋板、后蓋板和中間部分的壓電陶瓷片通過螺釘連接并預(yù)緊而構(gòu)成。變幅桿和工具頭加工為一體，通過螺釘與超聲換能器連接。

超聲電源輸出的電信號作用在超聲換能器的壓電陶瓷片正負(fù)極。由于壓電陶瓷片的壓電逆效應(yīng)，壓電陶瓷片將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)通過超聲換能器傳遞至變幅桿，由變幅桿放大振幅并傳遞至工具頭。焊接時(shí)，垂直于工具頭端面施加一個(gè)合適的壓力來壓緊兩個(gè)被焊接物體，在高頻機(jī)械振動(dòng)下可以將塑料局部熔化并連接在一起。

▲圖1 超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子結(jié)構(gòu)簡圖

針對以往振子設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，在超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的設(shè)計(jì)過程中，前、后蓋板材料選用45號鋼，變幅桿和工具頭材料選用LY12高強(qiáng)度硬鋁，壓電陶瓷片材料選用PZT-8。首先基于變截面桿縱振動(dòng)的波動(dòng)方程計(jì)算超聲換能器和變幅桿的基本尺寸［2-5］，然后對整體進(jìn)行有限元仿真分析，得到超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子整體的諧振頻率，這樣便于實(shí)現(xiàn)振子的整體諧振。

3 振子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 有限元建模

應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件建立超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的有限元模型，通過對振子進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，獲得其固有頻率、振動(dòng)模態(tài)、導(dǎo)納曲線、導(dǎo)納圓等，可以直觀表征超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的輸出性能，預(yù)測出振子在加載一定頻率電壓下的最佳效果。

在ANSYS前處理器中，建立超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的三維模型。振子中壓電陶瓷片的材料選用PZT-8，單元類型選用Solid98；超聲換能器前、后蓋板的材料為45號鋼，單元類型選用Solid95；變幅桿和工具頭的材料為LY12高強(qiáng)度硬鋁，單元類型選用Solid95。對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，采用三維自由網(wǎng)格劃分。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析的前提，通過模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。在ANSYS中定義材料的屬性，然后劃分網(wǎng)格。超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子沒有邊界約束條件，求解后得到其固有頻率和振型，同時(shí)還可以得到振動(dòng)模態(tài)圖和軸線振幅分布曲線。

采用模態(tài)分析模塊，在壓電陶瓷片的正負(fù)極定義電壓為 0，采用分塊蘭喬斯模態(tài)求解方法［6］，求解的頻率范圍為50 kHz～75 kHz。對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行模態(tài)分析后可以得到振動(dòng)模態(tài)，如圖2所示，可見振子的諧振頻率為54.717 kHz。對振子進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展分析，沿振子軸線提取路徑，得到沿軸線方向的振幅分布曲線，如圖3所示。由圖3可知，超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的縱向振幅在工具頭前端最大，在壓電陶瓷片附近最小。為獲得工具頭處更大的縱向振幅，可以對變幅桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲得理想的縱向振動(dòng)，提高超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的工作效率。

▲圖2 超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子振動(dòng)模態(tài)

▲圖3 超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子軸線方向振幅分布曲線

3.3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析用于確定線性結(jié)構(gòu)在受正弦載荷作用時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，可以計(jì)算出超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子在響應(yīng)頻率范圍內(nèi)的受載情況，并得到隨響應(yīng)頻率變化的振幅曲線。

超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的縱向振幅是一個(gè)很小的微米級振動(dòng)量，并且振子的振動(dòng)狀態(tài)直接影響自身工作性能，因此要對振子進(jìn)行諧響應(yīng)分析，求解諧振頻率下振子的響應(yīng)位移。在超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子負(fù)電極上加載電壓為0，在正電極上加載電壓為500 V，進(jìn)行激勵(lì)，采用完全法對振子進(jìn)行諧響應(yīng)分析，設(shè)定諧響應(yīng)頻率范圍為 45 kHz～65 kHz，子步數(shù)為 100，阻尼比為0.03。諧響應(yīng)分析后可以得到振子的幅頻曲線，如圖4所示?？梢娫?4.7 kHz附近，振子的縱向振幅達(dá)到最大，接近通過模態(tài)分析得到的振子諧振頻率。通過POST26后處理器處理，還可以得到超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的導(dǎo)納曲線和導(dǎo)納圓，分別如圖5和圖6所示。觀測振子在不同頻率下的導(dǎo)納，對振子與超聲電源的制作，以及電路諧振的匹配具有參考價(jià)值［7-8］。

▲圖4 超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子幅頻曲線

▲圖5 超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子導(dǎo)納曲線

3.4 瞬態(tài)分析

對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行瞬態(tài)分析，確定振子隨時(shí)間變化的振幅曲線。進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，需要在電極上加載一個(gè)正弦激勵(lì)電壓載荷，施加的電壓大小為 500 V，電壓頻率為 54.717 kHz，并設(shè)置 40個(gè)振動(dòng)周期的時(shí)域。超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的瞬態(tài)振動(dòng)曲線如圖 7所示［9-10］，可見振子的最大振幅為 10 μm 左右。由于受到阻尼作用，振子并不作振幅穩(wěn)定不變的正弦運(yùn)動(dòng)。對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，結(jié)果表明振子可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的縱向超聲振動(dòng)。

4 結(jié)論

▲圖6 超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子導(dǎo)納圓

▲圖7 超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子瞬態(tài)振動(dòng)曲線

超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)通過在焊件接觸面作用交替式高頻應(yīng)力產(chǎn)生熱能的方式，實(shí)現(xiàn)熱塑性塑料的焊接，焊接效率高，焊接質(zhì)量好，并且節(jié)能環(huán)保，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色生產(chǎn)。筆者設(shè)計(jì)了一種新型超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)，并對這一超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)的振子進(jìn)行了有限元仿真分析。

通過ANSYS有限元分析軟件對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行模擬仿真，減少了試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約了時(shí)間，并能節(jié)省試驗(yàn)材料。采用有限元分析法對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，通過后處理工具和數(shù)學(xué)公式運(yùn)算獲得了振子的固有頻率、振型、振動(dòng)模態(tài)、幅頻曲線、導(dǎo)納曲線、導(dǎo)納圓和瞬態(tài)振動(dòng)曲線，確認(rèn)振子的諧振頻率為54.717 kHz，在500 V正弦電壓的作用下最大振幅為10 μm左右。以上數(shù)據(jù)和曲線對超聲振動(dòng)塑料焊接機(jī)振子的制作和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。