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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2006.tde-31032006-150405
Document
Author
Full name
João Batista da Silva
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2006
Supervisor
Committee
Adamowski, Julio Cezar (President)
Eiras, José Antonio
Silva, Emilio Carlos Nelli
Title in Portuguese
Análise numérica de um transdutor piezelétrico de potência para processamento de termoplásticos têxteis.
Keywords in Portuguese
corte ultra-sônico
método dos elementos finitos
otimização paramétrica
soldagem ultra-sônica
transdutor piezelétrico
Abstract in Portuguese
Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico.
Title in English
Numerical analysis of a high power piezoelectric transducer for thermoplastic textiles procesing.
Keywords in English
finite element method
piezoelectric transducer
size optimization
ultrasonic cutting
ultrasonic welding
Abstract in English
This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.
 
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Dissertacao_joao.pdf (4.49 Mbytes)
Publishing Date
2006-04-11
 
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