趙全鵬 楊建成 劉艷哲 黃子文

摘 要：為提升經(jīng)紗張力調節(jié)機構的動態(tài)補償能力，適應三維間隔織物劍桿織機的高速化織造需要，引入可吸收應力的變剛度氣動肌腱作為原動件，設計了一種新型經(jīng)紗張力調節(jié)機構。采用有限元技術對該機構進行了靜力學分析和模態(tài)分析，得到其靜態(tài)特性及前六階固有頻率陣型，在此基礎上采用變密度法對機構進行拓撲優(yōu)化，隨后根據(jù)優(yōu)化結果在SW中進行結構優(yōu)化并采用有限元仿真實驗進行驗證。結果表明：拓撲優(yōu)化后的機構可以減重13.32%，同時應力、應變和固有頻率等靜動態(tài)性能均有較大提升，其最小疲勞壽命可達17.91年，滿足織機使用年限的需要。最后在VSI系列樣機上進行了對比實驗，分析優(yōu)化前后的張力采樣曲線。實驗結果表明優(yōu)化后的織機經(jīng)紗張力波動更加平穩(wěn)，機構動態(tài)特性有效提升。

關鍵詞：張力調節(jié)機構；拓撲優(yōu)化；輕量化設計；模態(tài)分析；疲勞壽命分析

中圖分類號：TS103.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）03-0027-09

基金項目：國家科技支撐計劃重點項目（2011BAF08B02）

作者簡介：趙全鵬（1998—），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事紡織機械設計制造及自動化方面的研究。

通信作者：楊建成，E-mail：18222663096@163.com

織機送經(jīng)系統(tǒng)的主要功能是按照織物結構對緯密的要求，以合適的送經(jīng)量送出織造所需要的紗線；依據(jù)設置的上機張力，運用自身的運動來保持經(jīng)紗張力的穩(wěn)定，調節(jié)其它運動因素所引起的張力波動［1］。隨著織機的高速化和智能化發(fā)展，間隔織物織機對送經(jīng)系統(tǒng)的動態(tài)補償能力提出了更高要求。間隔織物織機較常規(guī)織機具有特殊性，其具有兩條用于織造層紗的地經(jīng)和一條實現(xiàn)織物“站立”與層紗交織的絨經(jīng)，三者相耦合組成整個間隔織物織機送經(jīng)系統(tǒng)，每個送經(jīng)機構分成三部分：送經(jīng)軸部分、張力補償機構、張力檢測裝置。張力調節(jié)機構是送經(jīng)系統(tǒng)中實現(xiàn)動態(tài)補償功能的部分，是實現(xiàn)送經(jīng)功能的核心。

對于織機送經(jīng)系統(tǒng)的完善與發(fā)展，國內外學者和工程人員付出了諸多努力。周東波［2］對送經(jīng)系統(tǒng)的機械構件分別進行了整體和局部靜力學分析研究，提出了相應的改進措施；王斯勇［3］建立了送經(jīng)機構結構參數(shù)與性能間的聯(lián)系，并深入探討了不同織造工況下結構參數(shù)的調整方向；武銀飛等［4］闡述了電子送經(jīng)機構基本原理與組成，為送經(jīng)機構的結構參數(shù)設計提供了參考方案；鄭寶平等［5］詳細分析了送經(jīng)系統(tǒng)中張力調節(jié)的擺動性能及其對送經(jīng)系統(tǒng)性能的具體影響，并運用幾何知識將各個參數(shù)建立了聯(lián)系，為電子送經(jīng)系統(tǒng)的創(chuàng)新和優(yōu)化奠定了理論基礎；Kim等［6］建立了送經(jīng)機構靜力學和動力學模型，設計了單后梁的送經(jīng)機械結構。

綜合以上研究現(xiàn)狀可知，現(xiàn)有的研究基本都是針對二維織物織機所進行的，二維織物織機和三維織物織機具有明顯的差別，三維間隔織物劍桿織機送經(jīng)機構較普通織機有如下特點：新增的實現(xiàn)織物“站立”的絨經(jīng)對開口的幅度有較大要求，所設計送經(jīng)機構應具備更高的動態(tài)張力調整能力，以應對較大的張力波動［7-10］；織物織造時速度在較高區(qū)間，送經(jīng)系統(tǒng)應具有靈敏的響應性能［11-12］。因此研究三維間隔織物織機的經(jīng)紗張力調節(jié)機構具有重要的實際意義。本文將對三維間隔織物織機經(jīng)紗張力調節(jié)機構進行設計與優(yōu)化。

1 經(jīng)紗張力調節(jié)機構的設計

三維織機結構復雜，且工作時每個組織循環(huán)綜框的動程是變化的，因此對調節(jié)機構的響應性和精確度提出了更高要求。現(xiàn)有張力調節(jié)機構的原理是運用變剛度氣動肌腱驅動擺動雙后梁實現(xiàn)對張力的調整，在張力檢測和控制系統(tǒng)配合下控制張力波動在合理范圍內。其所具有的反應速度快、調節(jié)力度可控的優(yōu)勢契合三維間隔織物織造需要。氣動肌腱作為原動件，實現(xiàn)了精簡機構，切實提高機構的運動精度和響應性能［13-16］。氣動肌腱是仿照肌肉的自然運動而制成，由可伸縮管道和接頭組成，可伸縮管道由橡膠膜片及表面的無彎曲纖維構成，膜片用于密封氣體，纖維用于傳遞強度與力。氣動肌腱的靜態(tài)特性為f（p，ε，F(xiàn)）=0，則其單根肌腱的剛度特性如式（1）所示。通過改變內部氣壓可獲得不同的剛度，在織造過程中可實時控制氣壓以適用不同織造工況，其功率重量比大，單位截面積輸出力是單作用氣缸的8倍以上。此外，氣動肌腱具有阻尼性，可以緩沖減震，提高了送經(jīng)的精確度。

式中：K為氣動肌腱剛度，N/m；ΔF為輸出力變化量，N；Δl為伸縮量，m；F為輸出力，N；ε為收縮率；p為氣動肌腱容腔內絕對壓力，Pa。

所設計機構的三維模型中，固定后梁作為回轉中心，其芯軸通過軸承安裝在織機墻板上，擺臂將固定后梁和活動后梁芯軸聯(lián)結為一體，氣動肌腱與擺臂之間采用銷釘鉸接，氣動肌腱驅動力通過擺臂精確傳遞，同時活動后梁外工作面與芯軸用軸承裝配，保證經(jīng)紗張力調節(jié)的順利進行，最大限度地確保了織造三維織物時機構的動態(tài)特性。

2 張力調節(jié)機構的拓撲優(yōu)化設計

為了驗證所設計張力調節(jié)機構的可靠性，提升機構的靜、動態(tài)力學性能以適應三維織物的織造需要，對機構進行了有限元靜力學分析、模態(tài)分析，并在此基礎上進行了拓撲優(yōu)化，合理的輕量化設計使結構更加可靠。

2.1 機構有限元分析

運用Workbench中的Static Structural模塊對機構進行極限工況下的仿真分析。

a） 創(chuàng)建機構的有限元模型

采用自下而上的建模方式，先建立張力調節(jié)各部件模型，然后生成整個機構的有限元模型。所建立的有限元分析模型如圖1所示。

b） 機構各零件材料設定

基于對機構整體質量和其運動特性的考慮，同時兼顧連接強度和成本，選定各結構的材料。固定塊和后梁的芯軸選用綜合力學性能較好的45號鋼，擺臂選用強度高和疲勞性能強的7075鋁合金，氣動肌腱作為原動件其外殼材料選擇Carbon fiber。各材料的力學性能參數(shù)如表1所示。

c） 模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分時運用整體自動劃分網(wǎng)格與關鍵零部件細化網(wǎng)格相結合的方法。網(wǎng)格劃分之初，對比了網(wǎng)格尺寸7、5、3、1 mm幾種情況，結果表明隨著網(wǎng)格劃分的細密，仿真時最大位移值和最大應力數(shù)值將收斂于精確值，但運算速度隨之下降，為了兼顧求解速度和結果準確度，將網(wǎng)格大小設定為3 mm，劃分后單元格數(shù)為105896，節(jié)點數(shù)目為259359，網(wǎng)格質量均值0.769，大于0.7，能達到較好效果。機構網(wǎng)格劃分如圖2所示。

d） 極限工況的載荷施加

機構的驅動件是氣動肌腱，從動件為擺臂，先通過受力分析確定張力調節(jié)機構極限工況時的載荷狀態(tài)。機構的受力分析如圖3所示，圖3中F1、F2、F3分別為活動后梁上經(jīng)紗張力、固定后梁處張力、擺臂所受氣動肌腱的推動力，G1、G2分別為擺臂自重、活動后梁自重。

以擺臂為研究對象，建立力矩平衡方程式（2）。

極限工況時經(jīng)紗張力F1為最大單根經(jīng)紗張力與經(jīng)紗根數(shù)的乘積，而最大單根經(jīng)紗張力50 g，該三維織機經(jīng)軸的單層經(jīng)紗容納量為4200根，故F1在極限工況下數(shù)值為2058 N。此時θ1、θ2、θ3和θ4分別為12°、109°、14°、12°。將以上各參數(shù)代入式（2）得F3=1419 N。得到極限工況下的載荷后，分解后施加在已建立模型中，具體約束條件與載荷如圖4所示。

e） 機構靜力學求解

對機構進行靜力學求解后，后處理得到張力調節(jié)機構的最大變形云圖和等效應力云圖，如圖5與圖6所示。

由圖5可知，張力調節(jié)機構最大變形發(fā)生在固定塊與氣動肌腱連接處，極限載荷工況下最大變形數(shù)值為0.8198 mm，如此的變形量對張力調節(jié)整體的性能影響不大，只需對連接處材料厚度處理即可，機構有較大的減重空間。

由圖6可得，張力調節(jié)機構最大等效應力發(fā)生在擺臂與氣壓肌腱連接過渡的位置，最大等效應力值為4.859 MPa，遠小于7075鋁合金的屈服強度值505 MPa，故不會發(fā)生疲勞失效的狀況，可以進一步減重以達到輕量化目標。

2.2 張力調節(jié)機構模態(tài)分析

張力調節(jié)機構受到紗線施加給的周期性激勵，加之其自身的經(jīng)紗調節(jié)運動也是周期性的，二者會產生周期性的振動。因此需進行模態(tài)分析掌握其固有頻率特性，避免激振源與機構產生共振發(fā)生失效。圖7為利用Workbench中的Modal模塊解算出機構模態(tài)前六階固有頻率云圖，由圖7可知一階固有頻率為0，六階固有頻率最大，其值為1.503×10-3 Hz。

本文所研究的三維劍桿織機完整工作周期是0.1 s，周期內有兩個峰值，分別為打緯運動與開口運動所產生。兩峰值之間的間隔是10/36周期，由此可得該織機工作頻率為36 Hz。同時，機構是安裝在織機墻板上，需要考慮織造時機構與墻板發(fā)生共振的頻率。對樣機墻板進行共振測試后得其共振頻率值是44.5 Hz［17］。張力調節(jié)機構前六階固有頻率與織機工作頻率以及墻板共振頻率之間差值巨大，機構在織造過程中發(fā)生共振的概率極低，其動態(tài)特性符合三維劍桿織機織造需要，故可以進一步輕量化。

2.3 變密度法拓撲優(yōu)化設計

由靜力學求解結果可知，經(jīng)紗張力調節(jié)機構各項機械性能指標在極限載荷下仍具有較大的減重空間。為了在輕量化設計的基礎上最大程度地提升剛度，在保證相同的載荷和約束條件，采用變密度法在有限元分析的基礎上對機構進行拓撲優(yōu)化。

a） 拓撲優(yōu)化數(shù)學模型

優(yōu)化區(qū)域是張力調節(jié)機構，設計變量為區(qū)域內相對單元材料密度，定義域設置為［0，1］，約束條件設置為最大應力和最大應變，模型的目標函數(shù)為最小重量，數(shù)學模型表達為：

式中：ρ為設計變量，c（x）是目標函數(shù)，V為計算區(qū)域體積，E（ρ）表示ρi彈性模量，P是懲罰因子，E0為實際彈性模量，M*是優(yōu)化后重量上限，n為計算區(qū)域單元數(shù)。

為了縮短迭代的次數(shù)，最大限度提高收斂速度，本文基于目標函數(shù)的性質，引進了新的參數(shù)g改進此模型，每次迭代后所得的密度再參與該運算，如式（4）所示：

式中：g0和Δg分別為g的初始值和增量，γ和c*分別是強度因子。

需要注意的是，c*的選用合理與否會影響目標函數(shù)和模型收斂的速度［18-21］。

b） 拓撲優(yōu)化的過程與結果分析

首先將拓撲優(yōu)化模塊鏈接到靜力學分析結果。在拓撲優(yōu)化的前處理中，選擇優(yōu)化區(qū)域為經(jīng)紗張力調節(jié)機構中除固定后梁和活動后梁芯軸以外的區(qū)域，設定本次優(yōu)化的效應約束為質量的80%，優(yōu)化目標依照數(shù)模設置為最小質量進行求解，多次迭代后得出拓撲優(yōu)化的結果如圖8所示。從結果可得到可移除、需要保留以及臨界區(qū)域，整個機構的總重由原來的197.61優(yōu)化到現(xiàn)在的171.28，減重了13.32%。與靜力學分析結果比較后得知移除材料位置均無明顯超量的應變與應力，優(yōu)化較合理。

依據(jù)拓撲優(yōu)化的結果，在SW中進行了相對應的結構優(yōu)化，具體結構改進包括：固定塊長度精簡至原來的2/3，寬度過渡面做相應圓角；起橋梁作用的擺臂左側邊角增大圓角至原來的2倍，右下方輪廓向內推進50 mm；作為支承件的軸承座在形狀保持不變前提下直徑減小10 mm。結構優(yōu)化后的三維模型如圖9所示。

3 仿真驗證

3.1 靜力學與模態(tài)分析驗證

將優(yōu)化后的經(jīng)紗張力調節(jié)機構導入Workbench進行靜力學分析，施加與第一節(jié)相同的約束和載荷，解算后處理得到機構的總變形云圖和等效應力圖，結果如圖10與圖11所示。

靜力學分析結果表明（見表2），最大變形由優(yōu)化前的8.1975×10-4變?yōu)?.9293×10-9，最大等效應力由優(yōu)化前的4.859×106變?yōu)?.5664×103，均大幅度變小，且分布更加符合理想的預測效果，驗證了結構優(yōu)化的可行性。

對比優(yōu)化前后的前六階固有頻率可知（見表3），兩者處于同一數(shù)量級，機構的動態(tài)特性明顯提升。綜上所述，優(yōu)化后機構的靜態(tài)和動態(tài)特性均更加符合三維織造對調節(jié)機構的響應性要求。

3.2 關鍵零部件的疲勞分析

經(jīng)紗張力調節(jié)機構需要周期性地運動來調節(jié)經(jīng)紗波動，而調節(jié)機構中受載荷最頻繁、復雜的就是擺臂。疲勞破壞一般是突發(fā)性的，如果沒有提前預測會嚴重影響織造的正常進程，因此對擺臂進行疲勞分析十分關鍵。下面基于線性累積損傷理論對擺臂進行疲勞分析［22-23］。該理論認為，若零件在循環(huán)應力（應力幅σ）作用N次后破壞，那么每次作用對零件產生的破壞是D=1/N，第n次產生的破壞就是D=n/N，現(xiàn)假設零件受循環(huán)應力nn次，對應的應力幅σn，此時載荷對零件的破壞可表示為式（5）：

D=1時零件疲勞破壞發(fā)生。

擺臂的材料為7075高強度鋁合金，在ANSYS中輸入材料性能參數(shù)并運算，運用Goodman方法修正，獲得ε－N曲線。為了得到擺臂載荷情況，在ADAMS中建立了機構多體動力學模型，輸入與張力相同規(guī)律的激勵，仿真得到擺臂處所受作用力，如圖12所示。擺臂載荷譜顯示，其所受作用力小于1500 N，而設計時所選用氣動肌腱作用力范圍為0～1600 N，證實了氣動肌腱選型的恰當性，故氣動肌腱能滿足張力調節(jié)的需要。

采用nCode搭建擺臂的疲勞壽命分析仿真模型，將擺臂的靜力學應力分析結果文件和擺臂材料的ε－N曲線以及載荷譜導入到模型中，求解器設置后進行仿真，后處理得到擺臂的疲勞壽命云圖和循環(huán)次數(shù)與網(wǎng)格節(jié)點數(shù)對應表，如圖13與表4所示。

通過擺臂疲勞壽命云圖可知，擺臂在此載荷下最小循環(huán)次數(shù)為2.824×109，最大循環(huán)次數(shù)為3.606×1013。比對表4中數(shù)據(jù)可知最小循環(huán)次數(shù)對應的單元格為42514，據(jù)此判斷出循環(huán)次數(shù)最小點發(fā)生在擺臂與活動后梁鉸接處，這個最小循環(huán)次數(shù)換算后為17.91年（假定全年無休，每天12 h工作制），能夠滿足劍桿織機工作年限需求，契合優(yōu)化設計目標。

4 實驗驗證

為了進一步驗證拓撲優(yōu)化對提高三維織機張力調節(jié)機構靜、動態(tài)特性的有效性，在試制的VSI系列三維劍桿織機上進行了對比實驗，即分別將制造出的優(yōu)化前和優(yōu)化后張力調節(jié)機構裝配在樣機上進行張力采樣實驗，實況如圖14所示。實驗在緯密為30根/cm，主軸轉速為420 r/min的條件下進行，優(yōu)化前和優(yōu)化后經(jīng)紗張力采樣值對比如圖15所示。

優(yōu)化后的張力采樣數(shù)據(jù)最大絕對誤差為49.7 kg，比優(yōu)化前產生的誤差少65.7%；相對誤差方面，優(yōu)化后張力控制曲線最大值為4.6%，僅為優(yōu)化前對應值的49.6%。顯然，優(yōu)化后的織機經(jīng)紗張力波動更加平穩(wěn)、調整周期更短、調整速度更快，證明拓撲優(yōu)化后動態(tài)特性明顯提升，契合三維織機對張力調節(jié)機構的響應性要求。

5 結 論

本文以三維間隔織物織機的經(jīng)紗張力調節(jié)機構為研究對象，為提高其動態(tài)補償特性和響應性，進行了創(chuàng)新設計、拓撲優(yōu)化和疲勞分析，得到如下結論：

a） 設計了基于氣動肌腱的經(jīng)紗張力調節(jié)機構，運用ANSYS對其進行了靜力學分析、模態(tài)分析，在此分析結果基礎上進行了變密度拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后減重13.32%。

b） 采用仿真實驗驗證了優(yōu)化設計的可行性，對優(yōu)化后的機構進行靜力學分析、模態(tài)分析并在nCode中采用線性累計損傷理論對機構的關鍵零件擺臂進行了疲勞分析，仿真結果表明，極限工況下的應力、應變等機械性能保持良好，其靜態(tài)特性和動態(tài)補償能力得到了顯著提升，機構的最小疲勞壽命可達17.91年，滿足織機工作年限的需要。

c） 在VSI系列三維織機樣機上進行了機構優(yōu)化前后張力采樣值對比實驗，進一步證實了拓撲優(yōu)化設計對提升張力調節(jié)機構動態(tài)性能的有效性。

d） 完善了經(jīng)紗張力調節(jié)機構設計與優(yōu)化流程，為采用該方案思路對三維織機其他關鍵零部件的設計與優(yōu)化提供了參考。

參考文獻：

［1］王斯勇，馮志華，孫浪，等.噴氣織機單雙后梁系統(tǒng)動態(tài)分析與比較［J］.蘇州大學學報（工科版），2010，30（1）：56-59.

WANG Siyong， FENG Zhihua， SUN Lang， et al. Dynamic analysis and comparison of the single and double back rest systems for an air-jet loom［J］. Journal of Soochow University （Engineering Science Edition）， 2010， 30（1）： 56-59.

［2］周東波.毛巾織機低慣量后梁響應特性研究［D］.杭州：浙江理工大學，2020：23-34.

ZHOU Dongbo. Research on Response Characteristics of Low Inertia Back Rest of Towel Loom［D］. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2020： 23-34.

［3］王斯勇.噴氣織機雙后梁系統(tǒng)設計與經(jīng)紗張力控制研究［D］.蘇州：蘇州大學，2010：45-66.

WANG Siyong. Double Back Rests System Design and the Control of Warp Tension on an Air-jet Loom［D］. Suzhou： Soochow University， 2010： 45-66.

［4］武銀飛，臧瑞.GA747型劍桿織機送經(jīng)與卷取機構的配合［J］.上海紡織科技，2017，45（7）：54-56.

WU Yinfei， ZANG Rui. Coordination of let-off and take-up institution on GA747 rapier loom［J］. Shanghai Textile Science & Technology， 2017， 45（7）： 54-56.

［5］鄭寶平，蔣高明，夏風林，等.基于模型預測的經(jīng)編送經(jīng)動態(tài)張力補償系統(tǒng)設計［J］.紡織學報，2021，42（9）：163-169.

ZHENG Baoping， JIANG Gaoming， XIA Fenglin， et al. Design of dynamic tension compensation system for warp knitting let-off based on model predictions［J］. Journal of Textile Research， 2021， 42（9）： 163-169.

［6］KIM H K， CHUN D H， KIM J H. A study on correlation between warp tension and weaving condition［J］. Fibers and Polymers， 2013， 14（12）： 2185-2190.

［7］黃錦波，祝成炎，張紅霞，等.基于劍桿織機改造的三維間隔機織物工藝設計［J］.紡織學報，2021，42（6）：166-170.

HUANG Jinbo， ZHU Chengyan， ZHANG Hongxia， et al. Design of three-dimensional spacer fabrics based on rapier looms［J］. Journal of Textile Research， 2021， 42（6）： 166-170.

［8］陳家新，施廣軍，楊立新.劍桿織機經(jīng)紗張力數(shù)學模型及仿真［J］.東華大學學報（自然科學版），2012，38（4）：465-470.

CHEN Jiaxin， SHI Guangjun， YANG Lixin. Modelling and simulating of the tension variation in warp yarn on the rapier loom［J］. Journal of Donghua University （Natural Science）， 2012， 38（4）： 465-470.

［9］周其洪.新型高速織機的關鍵控制技術研究［D］.上海：上海大學，2009：37-39.

ZHOU Qihong. Research on the Key Control Technique of the New Type and High Speed Loom［D］. Shanghai： Shanghai University， 2009： 37-39.

［10］李志鵬.基于雙劍桿織機的中空織物織造工藝探討［J］.紡織科技進展，2019（6）：27-29.

LI Zhipeng. Study on weaving process of hollow sandwich fabric based on double rapier loom［J］. Progress in Textile Science & Technology， 2019 （6）： 27-29.

［11］鐘鵬.三維劍桿織機關鍵技術及結構優(yōu)化設計［D］.西安：西安工程大學，2017：32-37.

ZHONG Peng. The Key Technology and Optimum Structural Design of Three-dimensional Multi-rapier Loom［D］. Xi'an： Xi'an Polytechnic University， 2017： 32-37.

［12］丁辛.織機后梁動態(tài)性能分析［J］.中國紡織大學學報，1993，19（2）：58-62.

DING Xin. An analysis of dynamic performance of back rest of weaving machine［J］. Journal of China Textile University， 1993， 19（2）： 58-62.

［13］劉薇，蔣秀明，楊建成，等.碳纖維多層角聯(lián)機織裝備的集成設計［J］.紡織學報，2016，37（4）：128-136.

LIU Wei， JIANG Xiuming， YANG Jiancheng， et al. Integration design of carbon fiber multi-layer diagonal weaving equipment［J］. Journal of Textile Research， 2016， 37（4）： 128-136.

［14］李鳴超.2.5D機織物的織造工藝設計與下機分析［D］.上海：東華大學，2016：40-46.

LI Mingchao. Weaving Process Design and Analysis Leave the Machine of 2.5D Woven Fabric［D］. Shanghai： Donghua University， 2016： 40-46.

［15］李佳.立體織機經(jīng)紗系統(tǒng)和打緯機構的設計［D］.上海：東華大學，2013：37-39.

LI Jia. The Design of Warp System and Beating-up Mechanism in 3-D Weaving Machine［D］. Shanghai： Donghua University， 2013： 37-39.

［16］謝楓.立體織機送經(jīng)系統(tǒng)的設計［D］.上海：東華大學，2014：32-38.

XIE Feng. The Design of Warp System in 3-D Weaving Machine［D］. Shanghai： Donghua University， 2014： 32-38.

［17］金玉珍，胡小冬，林培峰，等.噴氣織機打緯機構及墻板的振動特性［J］.紡織學報，2016，37（7）：131-136，141.

JIN Yuzhen， HU Xiaodong， LIN Peifeng， et al. Vibration characteristics of wallboard and four-bar linkage beating-up mechanism of air-jet loom［J］. Journal of Textile Research， 2016， 37（7）： 131-136， 141.

［18］王景良，朱天成，朱龍彪，等.連續(xù)體結構的變密度拓撲優(yōu)化方法研究［J］.工程設計學報，2022，29（3）：279-285.

WANG Jingliang， ZHU Tiancheng， ZHU Longbiao， et al. Research on variable density topology optimization method for continuum structure［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2022， 29（3）： 279-285.

［19］任帥陽，高愛民，張勇，等.六旋翼植保無人機旋翼折疊機構有限元分析及拓撲優(yōu)化［J］.中國農機化學報，2021，42（9）：53-58，194.

REN Shuaiyang， GAO Aimin， ZHANG Yong， et al. Finite element analysis and topology optimization of folding mechanism of six-rotor plant protection UAV［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（9）： 53-58， 194.

［20］丁飛.爬樓輪椅機架結構有限元分析及其優(yōu)化設計［D］.天津：河北工業(yè)大學，2016：43-47.

DING Fei. The Finite Element Analysis and Optimization Design of a Stair-climbing Wheelchair Frame［D］. Tianjin： Hebei University of Technology， 2016： 43-47.

［21］WANG H， CHENG W M， DU R， et al. Improved proportional topology optimization algorithm for solving minimum compliance problem［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2020， 62（2）： 475-493.

［22］劉俊，張海劍，王威，等.基于輪胎六分力的某商用車車架疲勞分析［J］.中國機械工程，2019，30（21）：2583-2589.

LIU Jun， ZHANG Haijian， WANG Wei， et al. Fatigue analysis of commercial vehicle frames based on Six-dimensional wheel loads［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（21）： 2583-2589.

［23］陳鵬.基于主動學習神經(jīng)網(wǎng)絡的轉向架構架疲勞可靠性分析［J］.計算力學學報，2022，1（3）：1-9.

CHEN Peng. Fatigue reliability analysis of bogie frame based on active learning neural network［J］. Chinese Journal of Computational Mechanics， 2022， 1（3）： 1-9.

Abstract： The main function of the warp feeding system of a three-dimensional weaving machine is to feed the yarn required for weaving according to the weft density requirements of the fabric structure and to keep the warp tension stable during the weaving process by using its own regulating movements. The three-dimensional weaving machine has two ground warps for weaving ply yarns and a pile warp for "standing" of the fabric， which are coupled to form the warp feeding system of the entire interval fabric weaving machine. Each warp feeding system consists of three parts， namely， the warp feeding shaft parts， the warp tension regulator and the tension detection device. The warp tension regulator is the key part of the warp feeding system for dynamic compensation and is the core of the warp feeding function. With the development of high-speed and intelligent weaving machines， the dynamic compensation capability of the warp feeding system has become more demanding for interval fabric weaving machines.

In order to improve the dynamic compensation capability of the warp tension adjustment mechanism and to adapt to the high-speed weaving needs of the three-dimensional spacer fabric rapier weaving machine， a new warp tension adjustment mechanism is designed from the functional principle by introducing a variable stiffness pneumatic tendon as the prime mover that can absorb stress. The static stress and strain characteristics as well as the first six orders of inherent frequency pattern were obtained by using finite element technique. On this basis， the improved variable density method was used to optimize the topology of the mechanism， and then the structure was optimized in Solidworks according to the optimization results， and the finite element simulation experiment was used to verify the static and modal characteristics of the optimized mechanism. The fatigue life prediction based on linear cumulative damage theory was then performed on the core part of the mechanism， the swing arm， to confirm whether it meets the weaving needs after optimization. The results show that the topologically optimized mechanism has a weight reduction of 13.32%， while the static and dynamic properties such as stress， strain and inherent frequency are greatly improved， and its minimum fatigue life can reach 17.91 years， which meets the needs of the service life of the three-dimensional loom. Finally， a comparative experiment was conducted on a VSI series prototype to analyze the tension sampling curves corresponding to the optimized warp tension adjustment mechanism before and after the optimization. The experimental results show that the warp tension fluctuation in the optimized weaving machine is smoother and more accurate， and the dynamic characteristics of the mechanism are effectively improved.

The perfect design and optimization process of the warp tension adjustment mechanism can help to promote the improvement of the weaving quality of the three-dimensional loom， and the corresponding design optimization and experimental verification of other key components of the three-dimensional loom can be carried out according to the idea of this scheme， in order to meet the development requirements of high-speed and intelligent three-dimensional loom for spacer fabrics. At the same time， knowledge of dynamics can be introduced to study the various influencing factors in the weaving motion of the mechanism and to promote the joint improvement of the warp feeding system and other systems in the weaving machine.

Keywords： tension regulating mechanism; topology optimization; lightweight design; modal analysis; fatigue life analysis; spacer fabric three-dimensional loom