基于SolidWorks與ANSYS的閥門(mén)電動(dòng)執行器超聲焊接設計與底座性能研究

　　介紹了超聲焊接原理及焊線(xiàn)設計，利用SolidWorks軟件建立閥門(mén)電動(dòng)執行器主要部件及裝配模型，運用ANSYS軟件對閥門(mén)電動(dòng)執行器模型進(jìn)行應力分析，對比屈服強度，為改善其結構特性提供了理論依據及參考。

　　利用SolidWorks軟件實(shí)現了閥門(mén)電動(dòng)執行器主要部件及裝配的實(shí)體建模，用ANSYS軟件分析了閥門(mén)電動(dòng)執行器底座的Z向最大位移和最大應力，以此來(lái)對超聲焊接設計進(jìn)行檢測，保證閥門(mén)電動(dòng)執行器外殼結構的穩定性，降低焊接故障率。

1、閥門(mén)電動(dòng)執行器的塑膠超聲焊接設計

　　(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，通過(guò)換能系統把信號轉換為高頻機械振動(dòng)，加于塑料制品工件上，通過(guò)工件表面及內在分子間的摩擦而使傳送到接口的溫度升高，當溫度達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，當振動(dòng)停止，工件同時(shí)在一定的壓力下冷卻成形，便達到完美的焊接效果。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劑。

　　超聲焊接原理見(jiàn)圖1。一般來(lái)講，超聲塑膠焊接時(shí)，焊頭一般選用質(zhì)量較輕，強度較好，耐摩性強，超聲傳導較優(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(mén)電動(dòng)執行器外殼材質(zhì)

　　閥門(mén)電動(dòng)執行器外殼部分作為齒輪傳動(dòng)系統以及電路控制部分的載體，結構強度要求大，壁較厚，結構形狀較復雜。由于不同的塑膠材料相互超聲，嚴重時(shí)會(huì )產(chǎn)生根本無(wú)法焊接的現象，常用塑膠材料中可選30%PC+70%ABS作為閥門(mén)電動(dòng)執行器外殼(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，強度較高(抗拉伸強度σb=56MPa，抗彎曲強度σw=86MPa)，機械特性?xún)?yōu)良，熱穩定性好。

　　(3)閥門(mén)電動(dòng)執行器外殼的超聲波焊接頭設計

　　在閥門(mén)電動(dòng)執行器外殼的超聲波焊接頭設計過(guò)程中，對于上蓋與底座的超聲線(xiàn)而言，需在其結構上留出能量導向器(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(guān)。通常為了防止溢膠而影響外觀(guān)，將超聲線(xiàn)做在止口內，可有效解決塑膠熔體的溢出。超聲焊接存在錯位的幾率，考慮到閥門(mén)電動(dòng)執行器的外觀(guān)，在上蓋與底座的焊接處留有美工線(xiàn)，不易在裝配變形后引起上蓋與底座發(fā)生錯位，也不易刮手。為了方便焊接，美工線(xiàn)通常做在底座上�？紤]到超聲焊接時(shí)熔體易在上蓋或底座的直拐角處集結，需在其拐角處用R角過(guò)渡。由于閥門(mén)電動(dòng)執行器的上蓋上附有電路部分，必然導致超聲焊頭與超聲線(xiàn)的距離大于6.3mm，此類(lèi)焊接方式為遠場(chǎng)焊。遠場(chǎng)焊不易使上蓋和底座產(chǎn)生裂紋或者其他損壞。

　　在A(yíng)utoCAD軟件中可作出上蓋與底座的焊線(xiàn)圖紙(見(jiàn)圖2)。

圖2 上蓋與底座的焊線(xiàn)

　　利用SolidWorks軟件把上蓋與底座的三維模型做出來(lái)，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(mén)電動(dòng)執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(guò)配合定位零部件使之相互定位。裝配后的閥門(mén)電動(dòng)執行器實(shí)體模型見(jiàn)圖4。

圖4 閥門(mén)電動(dòng)執行器實(shí)體模型

2、基于A(yíng)NSYS的底座性能研究

　　ANSYS有限元軟件是融結構、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CAD軟件接口，實(shí)現數據的共享和交換，例如SolidWorks，AutoCAD等，是現代產(chǎn)品設計中的高級CAE工具之一，應用廣泛。本文利用ANSYS軟件對閥門(mén)電動(dòng)執行器外殼模型進(jìn)行應力分析，可以相應地減少實(shí)驗費用及設計時(shí)間。

　　(1)模型的導入及有限元模型的生成

　　將SolidWorks創(chuàng )建的閥門(mén)電動(dòng)執行器底座模型保存為.x_t格式，然后向ANSYS中導入底座模型。定義單元類(lèi)型庫時(shí)，在Solid45選項中，選擇八節點(diǎn)四面體單元Brick8node45來(lái)計算三維應力。底座模型分析時(shí)選用三維的Solid45單元，不需要設置實(shí)常數�？紤]應力分析中必須定義材料的彈性模量和泊松比，塑性問(wèn)題中必須定義材料的應力應變關(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的應力應變關(guān)系(見(jiàn)圖5)。

圖5 定義PC與ABS的應力應變關(guān)系

　　再單擊材料應力應變對話(huà)框中的Graph命令，則可得出相應的材料應力應變關(guān)系圖(見(jiàn)圖6)。

圖6 材料應力應變關(guān)系圖

　　用MeshTool工具對閥門(mén)電動(dòng)執行器的底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體劃分的結果見(jiàn)圖7。

圖7 對體劃分的結果

　　即生成了閥門(mén)電動(dòng)執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力區采用加密網(wǎng)格，以保證高應力區有較高的計算精度，整個(gè)底座共劃分60983個(gè)單元，15174個(gè)節點(diǎn)。

　　(2)施加位移邊界和位移載荷并求解

　　閥門(mén)電動(dòng)執行器上蓋與底座是通過(guò)超聲波焊接連接的，超聲焊頭施加在執行器上的載荷通過(guò)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(kāi)ANSYS中在節點(diǎn)上施加位移約束對話(huà)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(kāi)在節點(diǎn)上施加位移約束對話(huà)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(kāi)Sol'nControls命令，選中Everysubstep選項，在Timeatendofloadstep處輸入1，在Numberofsubsteps處輸入20，最后打開(kāi)Solve中的CurrentLS命令進(jìn)行求解。

　　(3)查看結果

　　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，與之前設計的超聲焊線(xiàn)在高度方向上基本沒(méi)有位移沖突，故焊線(xiàn)高度方向上的尺寸設計合理。在查看完底座的Z向變形圖后，還可得出底座的vonMises應變分布圖如圖9。

圖9 底座的vonMises應變分布圖

3、結語(yǔ)

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

　　(2)SolidWorks具有強大的建模功能，而ANSYS具有強大的數值分析功能，本文利用上述2種軟件進(jìn)行無(wú)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，提高了設計效率。