介紹了超聲焊接原理及焊線設(shè)計(jì)，利用SolidWorks軟件建立閥門電動(dòng)執(zhí)行器主要部件及裝配模型，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)閥門電動(dòng)執(zhí)行器模型進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)比屈服強(qiáng)度，為改善其結(jié)構(gòu)特性提供了理論依據(jù)及參考。

　　利用SolidWorks軟件實(shí)現(xiàn)了閥門電動(dòng)執(zhí)行器主要部件及裝配的實(shí)體建模，用ANSYS軟件分析了閥門電動(dòng)執(zhí)行器底座的Z向最大位移和最大應(yīng)力，以此來對(duì)超聲焊接設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，保證閥門電動(dòng)執(zhí)行器外殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低焊接故障率。

1、閥門電動(dòng)執(zhí)行器的塑膠超聲焊接設(shè)計(jì)

　　(1)塑膠超聲焊接原理

　　塑膠超聲焊接是由發(fā)生器產(chǎn)生20kHz(或15kHz)的高壓、高頻信號(hào)，通過換能系統(tǒng)把信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)，加于塑料制品工件上，通過工件表面及內(nèi)在分子間的摩擦而使傳送到接口的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到此工件本身的熔點(diǎn)時(shí)，工件接口迅速熔化，繼而填充接口間的空隙，當(dāng)振動(dòng)停止，工件同時(shí)在一定的壓力下冷卻成形，便達(dá)到完美的焊接效果。各種熱塑性膠件均可使用超聲波熔接處理，不需添加溶劑或粘結(jié)劑。

　　超聲焊接原理見圖1。一般來講，超聲塑膠焊接時(shí)，焊頭一般選用質(zhì)量較輕，強(qiáng)度較好，耐摩性強(qiáng)，超聲傳導(dǎo)較優(yōu)秀的金屬材料鋁。

圖1 超聲焊接原理

1.焊頭 2.振幅變壓器 3.焊頭做正弦軸向振動(dòng) 4.超聲零件 5.振幅

　　(2)閥門電動(dòng)執(zhí)行器外殼材質(zhì)

　　閥門電動(dòng)執(zhí)行器外殼部分作為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)以及電路控制部分的載體，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求大，壁較厚，結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜。由于不同的塑膠材料相互超聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生根本無法焊接的現(xiàn)象，常用塑膠材料中可選30%PC+70%ABS作為閥門電動(dòng)執(zhí)行器外殼(即上蓋和底座)的材質(zhì)，PC為聚氯乙烯，ABS為苯乙烯-丁二烯-丙烯晴共聚物，PC與ABS的合成材料，兼有PC和ABS兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的成型加工性能，流動(dòng)性好，強(qiáng)度較高(抗拉伸強(qiáng)度σb=56MPa，抗彎曲強(qiáng)度σw=86MPa)，機(jī)械特性優(yōu)良，熱穩(wěn)定性好。

　　(3)閥門電動(dòng)執(zhí)行器外殼的超聲波焊接頭設(shè)計(jì)

　　在閥門電動(dòng)執(zhí)行器外殼的超聲波焊接頭設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于上蓋與底座的超聲線而言，需在其結(jié)構(gòu)上留出能量導(dǎo)向器(即三角形小骨)，可降低焊接能量并且縮短焊接時(shí)間，但是仍然會(huì)有小部分溢料，影響外觀。通常為了防止溢膠而影響外觀，將超聲線做在止口內(nèi)，可有效解決塑膠熔體的溢出。超聲焊接存在錯(cuò)位的幾率，考慮到閥門電動(dòng)執(zhí)行器的外觀，在上蓋與底座的焊接處留有美工線，不易在裝配變形后引起上蓋與底座發(fā)生錯(cuò)位，也不易刮手。為了方便焊接，美工線通常做在底座上。考慮到超聲焊接時(shí)熔體易在上蓋或底座的直拐角處集結(jié)，需在其拐角處用R角過渡。由于閥門電動(dòng)執(zhí)行器的上蓋上附有電路部分，必然導(dǎo)致超聲焊頭與超聲線的距離大于6.3mm，此類焊接方式為遠(yuǎn)場(chǎng)焊。遠(yuǎn)場(chǎng)焊不易使上蓋和底座產(chǎn)生裂紋或者其他損壞。

　　在AutoCAD軟件中可作出上蓋與底座的焊線圖紙(見圖2)。

圖2 上蓋與底座的焊線

　　利用SolidWorks軟件把上蓋與底座的三維模型做出來，上蓋與底座厚度均為2mm，它們的實(shí)體模型如圖3。

(a)上蓋模型 (b)底座模型

圖3 上蓋與底座三維模型

　　然后再利用SolidWorks軟件做出閥門電動(dòng)執(zhí)行器其他部件的三維模型，并在SolidWorks軟件中新建裝配體，插入零部件，通過配合定位零部件使之相互定位。裝配后的閥門電動(dòng)執(zhí)行器實(shí)體模型見圖4。

圖4 閥門電動(dòng)執(zhí)行器實(shí)體模型

2、基于ANSYS的底座性能研究

　　ANSYS有限元軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，例如SolidWorks，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一，應(yīng)用廣泛。本文利用ANSYS軟件對(duì)閥門電動(dòng)執(zhí)行器外殼模型進(jìn)行應(yīng)力分析，可以相應(yīng)地減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用及設(shè)計(jì)時(shí)間。

　　(1)模型的導(dǎo)入及有限元模型的生成

　　將SolidWorks創(chuàng)建的閥門電動(dòng)執(zhí)行器底座模型保存為.x_t格式，然后向ANSYS中導(dǎo)入底座模型。定義單元類型庫時(shí)，在Solid45選項(xiàng)中，選擇八節(jié)點(diǎn)四面體單元Brick8node45來計(jì)算三維應(yīng)力。底座模型分析時(shí)選用三維的Solid45單元，不需要設(shè)置實(shí)常數(shù)。考慮應(yīng)力分析中必須定義材料的彈性模量和泊松比，塑性問題中必須定義材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。PC與ABS的合成材料，其彈性模量E=2.6GPa，泊松比μ=0.35，在定義材料模型屬性窗口中的EX文本框中輸入2.6e9，PRXY文本框中輸入0.35。同時(shí)還需定義PC與ABS的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(見圖5)。

圖5 定義PC與ABS的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

　　再單擊材料應(yīng)力應(yīng)變對(duì)話框中的Graph命令，則可得出相應(yīng)的材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖(見圖6)。

圖6 材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖

　　用MeshTool工具對(duì)閥門電動(dòng)執(zhí)行器的底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體劃分的結(jié)果見圖7。

圖7 對(duì)體劃分的結(jié)果

　　即生成了閥門電動(dòng)執(zhí)行器底座的有限元模型。采用分塊法生產(chǎn)網(wǎng)格，保證單元有較好的形態(tài)，在底座拐角處、輸出孔和螺紋連接處等高應(yīng)力區(qū)采用加密網(wǎng)格，以保證高應(yīng)力區(qū)有較高的計(jì)算精度，整個(gè)底座共劃分60983個(gè)單元，15174個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　(2)施加位移邊界和位移載荷并求解

　　閥門電動(dòng)執(zhí)行器上蓋與底座是通過超聲波焊接連接的，超聲焊頭施加在執(zhí)行器上的載荷通過上蓋傳遞到底座上，此載荷施加在底座與上蓋底部接觸的平面上。而位移邊界條件為底座底面所有方向上的位移固定。

　　選擇底座底面，打開ANSYS中在節(jié)點(diǎn)上施加位移約束對(duì)話框，選擇ALLDOF(所有方向上的位移)，即ANSYS在選定面上施加指定的位移約束。同樣再打開在節(jié)點(diǎn)上施加位移約束對(duì)話框，選擇UZ(Z方向上的位移)，在Displacementvalue文本框中輸入3，即ANSYS在選定面上施加指定的位移載荷。再打開Sol'nControls命令，選中Everysubstep選項(xiàng)，在Timeatendofloadstep處輸入1，在Numberofsubsteps處輸入20，最后打開Solve中的CurrentLS命令進(jìn)行求解。

　　(3)查看結(jié)果

　　施加位移邊界和位移載荷求解后，可查看底座的變形，底座的Z向變形圖如圖8。

圖8 底座的Z向變形圖

　　由底座的Z向變形圖可知，底座沿Z軸方向上的最大位移(DMX)為0.002197mm，與之前設(shè)計(jì)的超聲焊線在高度方向上基本沒有位移沖突，故焊線高度方向上的尺寸設(shè)計(jì)合理。在查看完底座的Z向變形圖后，還可得出底座的vonMises應(yīng)變分布圖如圖9。

圖9 底座的vonMises應(yīng)變分布圖

3、結(jié)語

　　(1)由應(yīng)變分布圖可看出最大應(yīng)力發(fā)生于底座與上蓋底部接觸的平面拐角處，最大應(yīng)力值為0.0015MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力分布不均現(xiàn)象存在，但不足以對(duì)底座產(chǎn)生應(yīng)力破壞。同時(shí)最大變形也符合工作要求;

　　(2)SolidWorks具有強(qiáng)大的建模功能，而ANSYS具有強(qiáng)大的數(shù)值分析功能，本文利用上述2種軟件進(jìn)行無縫連接，利用各自的功能特點(diǎn)分別建立模型和進(jìn)行分析，提高了設(shè)計(jì)效率。