唐朝飛,李 晶,張利鋒,劉建軍,劉紅衛(wèi)

(1.西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048;2.西安康本材料有限公司,陜西 西安 710089)

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基于虛擬樣機的引緯機構的結構優(yōu)化

唐朝飛1,李 晶1,張利鋒1,劉建軍2,劉紅衛(wèi)2

(1.西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048;2.西安康本材料有限公司,陜西 西安 710089)

針對國產(chǎn)劍桿織機性能偏低等問題,利用虛擬樣機技術,在Pro/E中構造空間連桿引緯機構實體模型,再運用大型有限元分析軟件ANSYS和機械動力學分析軟件ADAMS進行分析研究,對空間連桿引緯機構關鍵構件進行結構優(yōu)化．結果表明,優(yōu)后后的引緯機構質(zhì)量減輕、剛度增加,性能得到了改善．

碳纖維;空間連桿;引緯機構;虛擬樣機

0 引 言

碳纖維及碳纖維復合材料具有高強、高模、耐疲勞、耐高溫、導熱、導電等特性,在社會各個層面得到了廣泛應用,是國家戰(zhàn)略性高科技纖維材料[1-4]．但目前國產(chǎn)碳纖維布的質(zhì)量同國外同類產(chǎn)品相比差距甚大,而且在織造碳纖維布的過程中易起毛、易粘連、易斷頭等,給國產(chǎn)碳纖維布織造技術提出了新課題,對織造碳纖維布的劍桿織機的性能有了更高的要求[5-7]．

目前,對于劍桿織機引緯機構的優(yōu)化主要應用虛擬樣機技術進行仿真分析和研究[8-13].如文獻[8]應用ADAMS軟件對共軛凸輪引緯機構進行了運動學、動力學仿真分析,通過改進凸輪輪廓曲線以優(yōu)化引緯運動曲線;文獻[9]基于Visual Basic 6.0平臺分析了幾個重要參數(shù)對非圓齒輪節(jié)曲線的影響,對該參數(shù)下的引緯機構進行運動仿真分析得到滿足符合引緯要求的參數(shù);文獻[10]針對共軛凸輪引緯機構提出一種運動學求解方法,利用數(shù)學方法得出引緯機構的最優(yōu)曲線圖.這些研究主要從優(yōu)化引緯機構運動規(guī)律入手,而隨著織機運行速度的提高,引緯機構中各構件的質(zhì)量及剛度對織機影響愈加明顯,文中從織機構件質(zhì)量及剛度的角度出發(fā)對織機進行結構的優(yōu)化,改善織機的動態(tài)性能,提升碳纖維引緯的質(zhì)量．

1 空間連桿引緯機構的物理模型

1—齒輪;2—運動軸;3—空間搖桿;4—插座軸;5—底座;6—銷軸;7—平面搖桿;8—平面連桿;9—滑塊;10—劍道;11—劍桿圖 1 空間連桿引緯機構三維 實體模型Fig.1 3D model of spatial linkage weft insertion mechanism

1.1 虛擬樣機的幾何建模

在Pro/E環(huán)境下實現(xiàn)空間連桿引緯機構的裝配,并對機構中的裝配關系、零部件的幾何尺寸等進行全面的驗證和干涉檢查．空間連桿引緯機構Pro/E三維實體模型及其運動原理如圖1所示, 齒輪1在紙面垂直的平面內(nèi)做圓周運動,齒輪通過球面副連接帶動著空間搖桿3做空間運動,使平面機構中的底座5繞銷軸6擺動,通過平面搖桿7(同時此構件亦為運動放大系統(tǒng)中一個構件)將運動傳遞到平面連桿8,平面連桿8通過轉動副與滑塊9連接,由滑塊9帶動著劍桿11做來回往復運動．

1.2 虛擬樣機物理建模

將在Pro/E軟件建立的幾何模型導入ADAMS軟件平臺中去,獲得ADAMS環(huán)境下的空間連桿引緯機構的幾何模型．為了完成研究工作,仍需要建立起樣機的物理模型[14-15],即要設置各個零件的材料,除零件7的材料為鋁合金外,其他零件材料均為結構鋼,零件間需添加約束關系,如表1所示．

表 1 零件約束關系表Table 1 The constraint relations of part

2 空間連桿引緯機構動態(tài)仿真分析

圖 2 劍桿位移、速度和加速度Fig.2 Rapier′s position, velocity and acceleration

在ADAMS控制面板中,設置齒輪的電機驅動轉速為3 000r/min,而仿真時間和步長使用ADAMS的仿真控制面板進行設置,仿真時間設置為0.25s,步數(shù)為500步．在此工況下,仿真結束后,進入后處理模塊進行分析,如圖2所示．

本型劍桿織機仿真后的劍桿位移、速度和加速度如圖2所示,其中單個劍桿的幅值為1.0m,由于左右劍桿對稱,因此劍桿織機的織造碳纖維布的寬度為2.0m．在3 000r/min下,劍桿的速度最大值為9.5m/s,最小值為-9.5m/s,其加速度最大值為550m/s2,最小值為-440 m/s2．由于碳纖維本身抗剪切性能較低,所以較小峰值的速度和加速度更有利于碳纖維的引緯．

空間搖桿將主軸由一個平面的旋轉運動轉換成垂直于該平面的另一平面的水平往復運動,是比較關鍵的構件,有必要對其進行強度分析和結構優(yōu)化．空間搖桿受到的作用力來自2個方面:上端來自與齒輪相連接時的作用力,下端來自與底座相連接的插座軸的作用力．

空間搖桿上端與齒輪相連接所受力即為運動副的作用力,反映了空間搖桿與齒輪相對運動時所受的力,作用力變化曲線如圖3所示．

空間搖桿下端與底座相連接的插座軸所受到力即為運動副的作用力,反映了空間搖桿在與底座做相對運動時所受的力,作用力變化曲線如圖4所示．

圖 3 空間搖桿與齒輪連接所受的作用力 圖 4 空間搖桿與底座連接所受的作用力 Fig.3 The force of spatial linkage from gear Fig.4 The force of spatial linkage from pedestal

3 空間搖桿強度分析與結構優(yōu)化

3.1 空間搖桿強度分析

在ANSYS Workbench中導入空間搖桿CAD模型之后,空間搖桿上下端分別施加約束,將齒輪、底座對空間搖桿的作用力分別加載到空間搖桿上端、下端連接處,其中載荷值的大小依據(jù)上述ADAMS所測得的數(shù)值進行施加．

從應力云圖中分析得到最大的應力點位于空間搖桿的下端,其值為174MPa．由機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊查得,材料的許用應力為300MPa,故沒有超過材料的許用應力．但從整體應力云圖分析可以得到空間搖桿絕大多數(shù)地方應力小于19MPa,因此空間搖桿部件還有待進行結構優(yōu)化,可以加強最大應力點處厚度及圓角半徑,同時減小其他地方厚度等,使其應力分布更加均勻,同時減小空間搖桿質(zhì)量,提高引緯機構動態(tài)性能．

3.2 空間搖桿結構優(yōu)化

對空間搖桿的強度分析結果中可以看出:

(1) 空間搖桿壁厚上的應力值比較小,這使得空間搖桿所受的應力分布很不均勻;

(2) 空間搖桿最大應力點位于其下端的圓角處．

基于上述分析,對空間搖桿進行結構優(yōu)化與改進.改進后分析空間搖桿所受應力云圖，可知改進取得了成效:空間搖桿上端所受應力最大值提高,從空間搖桿改進前后應力云圖的應力區(qū)域可以看出,由原來的不大于58MPa提高到不低于67MPa;空間搖桿下端最大應力值由原來的170MPa降低為150MPa;通過重新設計空間搖桿中間部分結構及其上端部分結構,使得空間搖桿的整體質(zhì)量有了大幅度的降低．通過PRO/E自身所帶的分析模塊下的體積測量計算得出,空間搖桿的體積由原來175 937mm3減少到127 701mm3,相應的空間搖桿的重量降低了27.4%,使得空間搖桿在劍桿織機運動過程中的動態(tài)性能提高．

4 引緯機構底座模態(tài)分析與結構優(yōu)化

振動現(xiàn)象是機械結構系統(tǒng)中比較常見的問題,當前劍桿織機朝著高速化的方向發(fā)展,這為織機帶來了不可避免的振動,而振動現(xiàn)象對設備影響甚大[16]．底座在機構運動轉化過程中起著關鍵作用,同時又是平面運動放大系統(tǒng)的組成構件,研究底座結構在不同運動情況振動就顯得十分必要．而模態(tài)分析方法就是確定機械結構系統(tǒng)的振動特性 (包括固有頻率與振型)的方法,同時也是其他動力學動態(tài)分析的基礎．

表 2 底座各階固有頻率和振型Table 2 The natural frequency and vibration mode of pedestal

4.1 底座的模態(tài)分析

在ANSYS Workbench導入底座CAD模型之后,建立底座的物理模型,對其進行模態(tài)分析．由模態(tài)分析可知,底座的前兩階振型為剛體模態(tài),從三階振型開始出現(xiàn)振型的變化,模態(tài)分析結果如表2所示．

4.2 底座的結構優(yōu)化

為了降低底座的振動和噪聲輻射,需通過一定的手段來提高底座的結構剛度和強度．主要采取2種方法:首先是適當調(diào)整部件的壁厚;其次,加強局部結構．基于這兩點,分析各階振型可知,底座的前半部分構件結構需要調(diào)整,故提出以下優(yōu)化方法:

(1) 底座前半部分結構的前方壁厚尺寸由10mm適當增加為14mm,左右兩邊尺寸由12.5mm適當增加為14mm．

表 3 優(yōu)化后底座各階固有頻率和振型Table 3 The natural frequency and vibr- ation mode of optimized pedestal

(2) 底座前半部分的前側和左右兩側分別布置兩個加強筋．

4.3 底座結構優(yōu)化后的模態(tài)分析

在ANSYS Workbench中底座物理模型建立完成之后,對優(yōu)化后底座進行模態(tài)分析求解計算,計算可知,模態(tài)分析結果如表3所示．

由上述底座優(yōu)化后前六階各階固有模態(tài)頻率可以看出,與優(yōu)化前底座前六階的固有模態(tài)頻率相比較,整體有了較大的提高．根據(jù)模態(tài)理論可知,底座頻率提高,剛度增大,動變形降低,比原結構有顯著改善,有利于降低振動和噪聲．

5 結 論

采用虛擬樣機建模方法,以Pro/E-ADAMS-ANSYS為基礎平臺,建立空間連桿引緯機構系統(tǒng)的樣機,對其運動進行直觀檢驗,在此基礎上進行運動學以及動力學的仿真分析研究和結構優(yōu)化．由分析結果可知，運用該研究方法,有助于提高碳纖維的引緯質(zhì)量．同時,也為改良、設計新型劍桿織機提供了一種參考方法,特別是建立整機的虛擬樣機模型,在研究開發(fā)針對織造碳纖維材料專用劍桿織機的設計軟件，解決實際織造中所出現(xiàn)諸多物理樣機無法解決的問題方面具有十分重要的意義．

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編輯、校對：孟 超

Structure optimization for weft insertion mechanism based on virtual prototype

TANG Chaofei1, LI Jing1, ZHANG Lifeng1,LIU Jianjun2,LIU Hongwei2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China;2. Xi′an Carbon Materials CO.LTD, Xi′an 710089, China)

Given the performance that domestic rapier loom is low, virtual prototype technology is used to establish the spatial linkage weft insertion mechanism model in Pro/E.The FEA software ANSYS and the dynamics analytical software ADAMS are used to do the research and analysis. Finally, the key components of the mechanism have been optimized, which descends the weight and improves the stiffness of the mechanism. Thus its performance is improved.

carbon fiber;spatial linkage;weft insertion mechanism; virtual prototype

1674-649X(2016)04-0416-05

10.13338/j.issn.1674-649x.2016.04.002

2015-12-20

陜西省自然科學基金資助項目(2014JM9364);紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導性項目(2016093)

李晶(1962—),女,福建省福州市人,西安工程大學教授,研究方向為機械CAD/CAE/CAM的技術應用.E-mail:ljing62@126.com

唐朝飛,李晶,張利鋒,等.基于虛擬樣機的引緯機構的結構優(yōu)化[J].西安工程大學學報，2016，30(4)：416-420.

TANG Chaofei,LI Jing,ZHANG Lifeng,et al.Structure optimization for weft insertion mechanism based on virtual prototype[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016，30(4)：416-420.

TS 103.1

A