超聲振動塑料焊接機(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實現(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，實現(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，符合綠色生產(chǎn)的理念。

基于超聲振動塑料焊接的原理，筆者設(shè)計了一種新型超聲振動塑料焊接機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、外型小巧、生產(chǎn)成本低等特點。筆者同時應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對超聲振動塑料焊接機(jī)的振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析。基于有限元分析結(jié)果，可以對超聲振動塑料焊接機(jī)的振子進(jìn)行方便快捷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 超聲振動塑料焊接機(jī)振子結(jié)構(gòu)

如圖1所示，超聲振動塑料焊接機(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。機(jī)械振動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，垂直于工具頭端面施加一個合適的壓力來壓緊兩個被焊接物體，在高頻機(jī)械振動下可以將塑料局部熔化并連接在一起。

▲圖1 超聲振動塑料焊接機(jī)振子結(jié)構(gòu)簡圖

針對以往振子設(shè)計中出現(xiàn)的問題，在超聲振動塑料焊接機(jī)振子的設(shè)計過程中，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的波動方程計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，得到超聲振動塑料焊接機(jī)振子整體的諧振頻率，這樣便于實現(xiàn)振子的整體諧振。

3 振子結(jié)構(gòu)動力學(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、振動模態(tài)、導(dǎo)納曲線、導(dǎo)納圓等，可以直觀表征超聲振動塑料焊接機(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，同時還可以得到振動模態(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。對超聲振動塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行模態(tài)分析后可以得到振動模態(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，從而獲得理想的縱向振動，提高超聲振動塑料焊接機(jī)振子的工作效率。

▲圖2 超聲振動塑料焊接機(jī)振子振動模態(tài)

▲圖3 超聲振動塑料焊接機(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的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，可以計算出超聲振動塑料焊接機(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。

超聲振動塑料焊接機(jī)振子的縱向振幅是一個很小的微米級振動量，并且振子的振動狀態(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，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。可見在54.7 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值［7-8］。

▲圖4 超聲振動塑料焊接機(jī)振子幅頻曲線

▲圖5 超聲振動塑料焊接機(jī)振子導(dǎo)納曲線

3.4 瞬態(tài)分析

對超聲振動塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行瞬態(tài)分析，確定振子隨時間變化的振幅曲線。進(jìn)行瞬態(tài)分析時，需要在電極上加載一個正弦激勵電壓載荷，施加的電壓大小為 500 V，電壓頻率為 54.717 kHz，并設(shè)置 40個振動周期的時域。超聲振動塑料焊接機(jī)振子的瞬態(tài)振動曲線如圖 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)定不變的正弦運動。對超聲振動塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，結(jié)果表明振子可以實現(xiàn)預(yù)期的縱向超聲振動。

4 結(jié)論

▲圖6 超聲振動塑料焊接機(jī)振子導(dǎo)納圓

▲圖7 超聲振動塑料焊接機(jī)振子瞬態(tài)振動曲線

超聲振動塑料焊接機(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)計了一種新型超聲振動塑料焊接機(jī)，并對這一超聲振動塑料焊接機(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塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行模擬仿真，減少了試驗次數(shù)，節(jié)約了時間，并能節(jié)省試驗材料。采用有限元分析法對超聲振動塑料焊接機(jī)振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(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)公式運算獲得了振子的固有頻率、振型、振動模態(tài)、幅頻曲線、導(dǎo)納曲線、導(dǎo)納圓和瞬態(tài)振動曲線，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)作用和參考價值。