王　見(jiàn)，岳曉麗，尹苗苗，趙　雯，雷　振

(1. 東華大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院；b. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620;2． 江蘇小太陽(yáng)機(jī)械科技有限公司，江蘇 宜興 214241)

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基于ANSYS /LS-DYNA的布鋏接觸應(yīng)力研究

王見(jiàn)1a , 1b，岳曉麗1a，尹苗苗1a，趙雯1a，雷振2

(1. 東華大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院；b. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620;2． 江蘇小太陽(yáng)機(jī)械科技有限公司，江蘇 宜興 214241)

摘要：采用ANSYS /LS-DYNA有限元分析軟件，建立布鋏的有限元模型，計(jì)算并分析刀刃磨損程度、緯向拉幅力、擴(kuò)幅偏轉(zhuǎn)角等因素對(duì)刀刃接觸應(yīng)力分布狀況的影響. 結(jié)果表明：在同一拉幅力作用下，平刀刃布鋏比凹、凸刀刃布鋏的夾持牢度高；同一類(lèi)型的刀刃磨損量增加時(shí)，布鋏易發(fā)生脫鋏現(xiàn)象；刀刃上接觸應(yīng)力隨拉幅力的增加而增大，其軸線方向上應(yīng)力值波動(dòng)也增大，布鋏易發(fā)生脫鋏現(xiàn)象；隨擴(kuò)幅偏轉(zhuǎn)角度的增大，布鋏有單側(cè)脫鋏的趨勢(shì).

關(guān)鍵詞：布鋏； 接觸應(yīng)力； 夾持牢度； 有限元分析(FEA)

布鋏加裝在鋏鏈上，其咬住布邊并調(diào)節(jié)織物擴(kuò)幅程度，被廣泛應(yīng)用于絲光機(jī)、熱定型機(jī)等設(shè)備. 在使用過(guò)程中，布鋏處于高溫和反復(fù)拉幅張力的作用，其刀刃和主體軸孔形狀易發(fā)生變化，引起咬破布邊或脫鋏等現(xiàn)象[1]. 對(duì)于夾持機(jī)構(gòu)，合理的受力狀況可以保證夾持牢度.因此，研究布鋏失效部位對(duì)提高布鋏的可靠性和使用壽命至關(guān)重要[2].

現(xiàn)有對(duì)布鋏的研究主要包括布鋏的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能分析. 文獻(xiàn)[3]根據(jù)工廠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，嘗試開(kāi)發(fā)了尼龍底板布鋏，其尼龍底板更換方便，且不易損傷軌道.文獻(xiàn)[4]對(duì)3種不同節(jié)距布鋏的受力分析、摩擦板安裝位置、刀刃角度、鏈節(jié)距等情況進(jìn)行了討論，得到3種布鋏的優(yōu)缺點(diǎn).文獻(xiàn)[5]對(duì)布鋏進(jìn)行了受力、殘余應(yīng)力、蠕變分析以及布鋏磨損試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)布鋏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了布鋏設(shè)計(jì)制造以及提高布鋏使用壽命的初步理論依據(jù). 上述文獻(xiàn)均將布鋏各構(gòu)件作為剛體進(jìn)行研究，構(gòu)件所受的力相當(dāng)于集中力，很難得到布鋏失效部位沿軸線方向的應(yīng)力分布.

本文以江蘇宜興某機(jī)械廠生產(chǎn)的XTY-030DD型布鋏為研究對(duì)象，結(jié)合織物的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及廠家反饋的相關(guān)資料，圍繞布鋏的主要失效部位，利用ANSYS/LS-DYNA軟件，對(duì)布鋏的接觸應(yīng)力進(jìn)行研究，探討如何保證布鋏夾持牢度、提高布鋏的使用壽命.

1織物拉伸試驗(yàn)

本試驗(yàn)對(duì)常見(jiàn)織物的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，為布鋏有限元分析中拉幅力數(shù)值和織物材料模型設(shè)置提供試驗(yàn)依據(jù). 圖1為試驗(yàn)用美國(guó)Tiniius Olsen公司的雙臂萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該儀器能較準(zhǔn)確地測(cè)出織物的拉伸和斷裂性能. 試驗(yàn)所用的織物參數(shù)如表1所示，織物試樣尺寸為50mm×200mm. 分別對(duì)表1所示的3種織物進(jìn)行經(jīng)、緯向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖1　材料試驗(yàn)機(jī)Fig.1　Materials testing machine

織物品種密度/(根·(10cm)-1)線密度/tex經(jīng)紗緯紗經(jīng)紗緯紗面密度/(g·m-2)牛仔布118668096450白棉布110765858220尼龍布150100506888

圖2　織物拉伸曲線Fig.2　The fabric tensile curves

從圖2可知，拉力在100～400N區(qū)間內(nèi)各織物的拉伸曲線線性均較好，取該區(qū)間內(nèi)不同拉力，得到3種織物伸長(zhǎng)率如表2所示. 由于在實(shí)際工作中，布鋏對(duì)織物緯向進(jìn)行拉伸擴(kuò)幅，故表2中只給出織物的緯向伸長(zhǎng)率.

表2不同拉力下織物緯向伸長(zhǎng)率

Table 2The fabric weft elongation rate under different stretching force

拉力/N緯向伸長(zhǎng)率/%牛仔布白棉布尼龍10099320010148300121813

2布鋏工作原理

布鋏結(jié)構(gòu)如圖3所示. 布鋏主體1與刀鋏5通過(guò)銷(xiāo)軸6連接，銷(xiāo)軸鉚接在主體軸孔內(nèi)，刀鋏可繞銷(xiāo)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng). 當(dāng)織物進(jìn)入布鋏鏈時(shí)，在開(kāi)鋏盤(pán)的推力作用下刀鋏5抬起，刀刃與底板2形成空隙，織物3邊部進(jìn)入此空隙，然后刀鋏靠自重落到織物上，刀鋏上的觸片7被織物3托住，此時(shí)刀體4尚未咬住織物. 隨著左、右布鋏鏈間的距離逐漸增大，織物脫離觸片，觸片隨即落入主體槽中，于是鋏體上的刀刃擱于織物邊緣. 織物在緯向拉力和所受刀刃摩擦力的作用下形成自鎖，布鋏刀刃夾緊布邊.

1─主體；2─底板；3─織物；4─刀體；5─刀鋏；6─銷(xiāo)軸；7─觸片圖3　布鋏結(jié)構(gòu)Fig.3　Stenter clip structure

3有限元建模

3.1單元類(lèi)型和材料模型

刀體、刀鋏、銷(xiāo)軸與主體均選用Solid 164實(shí)體單元. 織物具有薄殼特征，可以選用Shell單元. Shell 163相對(duì)實(shí)體單元是一個(gè)簡(jiǎn)化積分單元，可以節(jié)省CPU，但存在易出現(xiàn)沙漏狀模態(tài)和應(yīng)力結(jié)果精度較低等缺點(diǎn). 本文也嘗試織物使用Shell 163單元，從仿真結(jié)果來(lái)看，該單元類(lèi)型在承受較大載荷時(shí)易發(fā)生網(wǎng)格畸變，且相鄰節(jié)點(diǎn)的結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)較大. 因此，織物也選用Solid 164單元. 布鋏各構(gòu)件材料模型的相關(guān)參數(shù)如表3所示.

表3　布鋏各部分材料及其參數(shù)

3.2布鋏CAD模型及網(wǎng)格劃分

布鋏的磨損是影響布鋏質(zhì)量的重要因素之一，布鋏磨損的主要部位是刀刃，刀刃的磨損量隨刀刃與底板材料硬度的不同而不同，通常刀刃的磨損量在50μm以?xún)?nèi)[5]. 廠家反映布鋏使用一段時(shí)間后，刀刃與底板之間局部會(huì)產(chǎn)生縫隙，廠家對(duì)此提出了相應(yīng)打磨修配方案. 本文以此為依據(jù)，在SolidWorks軟件中建立布鋏CAD三維實(shí)體模型，將三維模型生成.x_t文件導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA. 三維模型取刀刃與織物接觸線上的兩端點(diǎn)和中點(diǎn)，兩端點(diǎn)坐標(biāo)位置不變，改變中點(diǎn)豎直方向的坐標(biāo)值，以這3點(diǎn)定義刀刃圓弧，得到平刀刃、刀刃凹25和50μm、刀刃凸25和50μm共5種刀刃曲面. 相對(duì)于零件尺寸，此處微米級(jí)的凹凸度，若采用拉伸切除進(jìn)行建模，在有限元軟件中很難得到規(guī)則的網(wǎng)格，導(dǎo)致局部網(wǎng)格質(zhì)量差，進(jìn)而影響計(jì)算結(jié)果的收斂性. 經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，本文通過(guò)SolidWorks變半徑圓角特征實(shí)現(xiàn)刀刃的凹凸度變化，既能保證刀刃曲面形狀，又能劃分出規(guī)則的六面體網(wǎng)格. 布鋏網(wǎng)格模型如圖4所示. 圖4中，銷(xiāo)軸、底板和刀體采用掃略網(wǎng)格，織物采用映射網(wǎng)格. 由于刀鋏和主體模型較為復(fù)雜且不是主要承受載荷的零件部位，此處采用自由網(wǎng)格.

圖4　布鋏有限元網(wǎng)格模型Fig.4　　Finite element meshing model of stenter clip

3.3外載荷和約束

布鋏的刀體與刀鋏鉚接，兩構(gòu)件沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)且接觸面緊密相連. ANSYS/LS-DYNA 中的“GLUE”命令可以保證模型接觸邊界存在，且方便網(wǎng)格劃分和定義不同的材料屬性. 因此，本文用“GLUE”命令將刀體與刀鋏結(jié)合在一起. 同理，底板和主體也用“GLUE”命令處理. 布鋏整個(gè)工作過(guò)程中有4個(gè)接觸對(duì)，分別是銷(xiāo)軸與刀鋏軸孔、銷(xiāo)軸與主體、刀刃與織物上表面、織物下表面與底板上表面. 將接觸面上節(jié)點(diǎn)集合定義為不同的Component組件，面與面之間采用自動(dòng)接觸(ASTS). 提取織物前端面上所有節(jié)點(diǎn)，又創(chuàng)建一個(gè)Component組件，并根據(jù)織物拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在該組件上施加拉幅力. 選取刀鋏重心處節(jié)點(diǎn)，施加重力載荷，實(shí)現(xiàn)刀鋏在重力作用下的自由下落. 主體底面各節(jié)點(diǎn)自由度完全約束.

4仿真結(jié)果與討論

4.1不同刀刃曲面形式時(shí)的應(yīng)力分布

針對(duì)5種不同刀刃曲面形式，在ANSYS/LS-DYNA中沿軸向?qū)挾葹?13.5mm的刀刃上設(shè)置300 N/50 mm拉幅力進(jìn)行加載計(jì)算，即在織物前端面施加681 N的拉幅力. 仿真所得刀刃沿軸向的接觸應(yīng)力曲線如圖5所示.

圖5　不同刀刃曲面形狀下節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力曲線Fig.5　The node stress curves under different blade surface shape

圖5顯示，平刀刃軸線方向各節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力較為均勻，布鋏的夾持效果較好. 當(dāng)?shù)度行螤钣善降度邢虬嫉度凶兓吹度兄虚g的磨損量增大時(shí)，刀刃中部節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力明顯減小，但刀刃兩側(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力波動(dòng)隨之變大，且出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值，極易導(dǎo)致該部位織物因承受較大應(yīng)力發(fā)生撕裂；當(dāng)?shù)度行螤钣善降度邢蛲沟度凶兓?，即刀刃兩?cè)的磨損量增大時(shí)，刀刃中間部位節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨之增大，易引起脫鋏失效.

表4所示為各曲面形狀刀刃的接觸應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差. 從表4可以看出，平刀刃應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值較小，即刀刃上各節(jié)點(diǎn)的接觸應(yīng)力差值相對(duì)較小，布鋏對(duì)織物夾持較為牢固. 當(dāng)?shù)度邪?、凸度增加時(shí)，應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值隨之增大，即刀體軸線方向接觸應(yīng)力的離散程度也隨之增加，使織物有局部撕裂或脫鋏的趨勢(shì).

表4　各曲面形狀刀刃的接觸應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差

4.2不同緯向拉幅力時(shí)的應(yīng)力分布

根據(jù)織物拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同磨損程度的刀刃曲面形式進(jìn)行仿真分析. 在織物前端面平均每50 mm 分別施加100，200和300 N的緯向拉幅力. 刀刃沿軸向的接觸應(yīng)力分布如圖6所示.

(a) 刀刃凹50 μm

(b) 刀刃凹25 μm

(c) 平刀刃

(d) 刀刃凸25 μm

(e) 刀刃凸50 μm

由圖6可以看出，隨著拉幅力的增加，不同磨損程度的刀刃沿軸向的接觸應(yīng)力均呈增大趨勢(shì)，其中，平刀刃的軸向接觸應(yīng)力波動(dòng)較小，凹、凸刀刃的軸向接觸應(yīng)力波動(dòng)值隨拉幅力的增加明顯增大，導(dǎo)致布鋏夾持牢度降低，表現(xiàn)為脫鋏趨勢(shì). 因此要保證布鋏有良好的夾持效果，需選擇適當(dāng)?shù)睦Ψ秶?

4.3不同擴(kuò)幅偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的應(yīng)力分布

織物在被擴(kuò)幅過(guò)程中，布鋏軸線與織物邊線有一定擴(kuò)幅角度. 本文根據(jù)廠家實(shí)際使用的3種布鋏擴(kuò)幅偏轉(zhuǎn)角度，在織物前端面平均每50mm施加300N緯向拉幅力，選用無(wú)磨損的平刀刃進(jìn)行仿真分析. 刀刃沿軸向的接觸應(yīng)力分布如圖7所示.由 圖7可以看出，隨擴(kuò)幅偏轉(zhuǎn)角度的增加，接觸應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，峰值向一側(cè)靠近，應(yīng)力不對(duì)稱(chēng)性明顯，有單側(cè)脫鋏的趨勢(shì).

圖7　不同偏轉(zhuǎn)角度下節(jié)點(diǎn)應(yīng)力曲線Fig.7　The node stress curves in different deflection angle

4.4主體軸孔與銷(xiāo)軸的接觸應(yīng)力

對(duì)平刀刃布鋏模型，在織物前端面每50mm施加300N的拉幅力，仿真所得主體軸孔應(yīng)力云圖如圖8所示.布鋏主體材料為YL112鋁合金，其在不同條件下的屈服應(yīng)力極限為147～246MPa[6]. 由圖8可見(jiàn)，主體軸孔內(nèi)側(cè)圓周上局部位置接觸應(yīng)力較大，最大接觸應(yīng)力值為35.81MPa，但遠(yuǎn)小于鋁合金材料的屈服應(yīng)力極限. 此處未考慮溫度變化所引起的軸孔熱變形，且鋁合金材料常溫下受應(yīng)力作用產(chǎn)生的蠕變也很明顯[7]，故引起主體軸孔變形的主要原因還需進(jìn)一步討論.

圖8　主體軸孔應(yīng)力云圖Fig.8　The von mises stress of shaft bores

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立布鋏和織物的有限元模型，對(duì)布鋏整個(gè)夾持過(guò)程進(jìn)行接觸應(yīng)力分析. 依據(jù)布鋏的刀體磨損和實(shí)際的外載荷狀況，研究刀刃曲面形狀、緯向拉幅力和布鋏偏轉(zhuǎn)角度等因素對(duì)布鋏夾持牢度的影響，主要結(jié)論如下所述.

(1) 在不考慮布鋏受熱變形的情況下，當(dāng)平刀刃時(shí)，刀鋏夾持牢度較高；當(dāng)?shù)度兄虚g部位或刀刃兩側(cè)的磨損量增大時(shí)，均易引發(fā)織物撕裂現(xiàn)象或脫鋏失效.

(2) 在擴(kuò)幅過(guò)程中，隨著緯向拉幅力的增加，凹、凸刀刃沿軸線方向的接觸應(yīng)力值波動(dòng)增大，均易引起脫鋏.

(3) 隨擴(kuò)幅偏轉(zhuǎn)角度的增加，刀刃接觸應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，峰值向一側(cè)靠近，有單側(cè)脫鋏的趨勢(shì).

(4) 擴(kuò)幅過(guò)程中，主體軸孔局部產(chǎn)生較大應(yīng)力，在不考慮溫度的情況下，軸孔不會(huì)產(chǎn)生永久塑性變形.

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文章編號(hào)：1671-0444(2016)03-0414-05

收稿日期：2015-05-12

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：王見(jiàn)(1989—)，男，山東日照人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論. E-mail: jian_w0419@163.com 岳曉麗(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail：xlyue@dhu.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：TS 103. 8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Contact Stress of Stenter Clip Based on ANSYS /LS-DYNA

WANGJian1a, 1b,YUEXiao-li1a,YINMiao-miao1a,ZHAOWen1a,LEIZhen2

(a. College of Mechanical Engineering; b. Key Laboratory of Science & Technology ofEco-textile, Ministry of Education, 1. Donghua University, Shanghai 201620, China;2． Jiangsu Little Sun Machine Technology Co. Ltd., Yixing 214241, China)

Abstract:A FEA (finite element analysis) model of stenter clip was built in ANSYS/ LS-DYNA. Considering wear degree, weft tension force and expansion of deflection angle, the influence of the contact stress distribution on the blade was calculated. Results show that the clamping fastness of a flat blade clip is higher than concaved or convexed ones. Stenter clips easily have the breakaway tendency with the wear increase. In addition, the contact stress on the blade magnifies with the increase of the stretching force. The stress fluctuation simultaneously increases in the blade axis direction resulting in the failure of clamping. Clamping failure also occurrs with the deflecting angle of stenter clip.

Key words:stenter clip；contact stress；clamping fastness；finite element analysis(FEA)