布鋏的熱結(jié)構(gòu)耦合ANSYS分析

尹苗苗， 岳曉麗， 王 見， 趙 雯, 張 盛， 胡 韜

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；3. 江蘇小太陽機(jī)械科技有限公司， 江蘇 宜興 214241)

尹苗苗1，2， 岳曉麗1， 王 見1， 趙 雯1, 張 盛3， 胡 韜1

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；3. 江蘇小太陽機(jī)械科技有限公司， 江蘇 宜興 214241)

為解決布鋏因夾持效果差導(dǎo)致的失效問題，提高布鋏的使用壽命，對(duì)布鋏的結(jié)構(gòu)形式和材料性能進(jìn)行研究。分析布鋏的工作原理，建立布鋏有限元模型，根據(jù)布鋏的工作情況，確定布鋏所受熱載荷和約束，利用ANSYS軟件，對(duì)布鋏進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得出布鋏的瞬時(shí)溫度場分布和應(yīng)力場分布。對(duì)銷軸與刀鋏不同的軸孔配合方式以及不同的主體材料下的有限元模型仿真，得到布鋏的刀刃熱變形、刀刃熱膨脹量差值、刀刃與底板間隙形狀以及軸孔熱應(yīng)力值，分析其對(duì)布鋏的夾持效果和使用壽命的影響，得出軸孔間隙配合優(yōu)于過盈配合，并為主體材料的選擇、刀刃底面形狀的修磨提供參考。

布鋏； 熱-結(jié)構(gòu)耦合； 溫度場； 配合方式

布鋏廣泛使用在拉幅定型機(jī)、絲光機(jī)中，起著定型織物和避免織物出現(xiàn)荷葉邊、破邊的作用[1-2]，因此，布鋏結(jié)構(gòu)、質(zhì)量的好壞對(duì)織物有很大的影響[3]。在使用過程中，處于高溫、反復(fù)拉幅張力的作用，布鋏會(huì)發(fā)生不同程度的變形和磨損。尤其是刀刃與底板縫隙的變形，這不僅不利于咬合織物導(dǎo)致出現(xiàn)脫鋏現(xiàn)象、提前報(bào)廢，還會(huì)因?yàn)椴间e與織物咬合區(qū)接觸面積小，局部受力大，對(duì)織物造成破壞[4]，因此，無論布鋏的使用廠家，還是生產(chǎn)廠家，越來越關(guān)注布鋏工作的可靠性以及使用壽命。

本文以江蘇宜興某機(jī)械廠生產(chǎn)的某種型號(hào)布鋏為研究對(duì)象，其工作溫度為303～473 K之間，使用過程中承受著織物對(duì)其的拉幅張力。布鋏的夾持牢度受拉幅力和溫度兩方面影響，經(jīng)工廠實(shí)驗(yàn)測得，單獨(dú)將布鋏放入加熱爐加熱，之后對(duì)刀刃與底板的縫隙值測量，其數(shù)值達(dá)10～15 μm，對(duì)夾持牢度影響很大，因此，本文從布鋏的受熱角度考慮，對(duì)布鋏的熱-結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)行分析，探究影響布鋏夾持牢度的影響因素。

1 布鋏溫度場計(jì)算模型

1.1 布鋏的工作原理

布鋏是由結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件裝配而成的，如圖1所示。布鋏主體1與刀鋏6通過銷軸2連接，銷軸2鉚接在主體軸孔內(nèi)，刀鋏6與銷軸2間隙配合，可繞銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。刀片3鉚接在刀鋏6上，底板4鉚接在主體1上，刀口與底板之間有間隙。當(dāng)織物進(jìn)入布鋏鏈時(shí)，在開鋏盤的推力作用下刀片與底板形成間隙，織物的邊部進(jìn)入刀鋏，隨后刀鋏靠自重落到織物上，咬住織物。隨著左、右布鋏鏈之間的距離逐漸增大，織物產(chǎn)生緯向張力，刀刃受到摩擦力，刀鋏自鎖，刀片咬緊織物，對(duì)織物緯向進(jìn)行牽伸，起到定型織物的作用。

1.2 布鋏的受熱分析

布鋏工作過程中，各點(diǎn)的溫度隨著時(shí)間不斷改變，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，屬于非穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程。布鋏內(nèi)部由于溫差發(fā)生熱傳導(dǎo)；布鋏與空氣之間先后發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。此外，通過電磁波的方式，布鋏與環(huán)境發(fā)生輻射換熱。

布鋏內(nèi)部溫差引起的熱傳導(dǎo)遵循傅里定律[5]：

(1)

式中：qn為等溫面法線方向的熱流密度，W/m2；?T/?n為等溫面法線方向的溫度變化率；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

布鋏與空氣間發(fā)生的對(duì)流傳熱可用牛頓冷卻方程來描述：

q=hf(TS-TB)

(2)

式中：hf為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，初取值為100W/(m2·K)[6]；TS為固體表面的溫度，K；TB為周圍流體的溫度，K。

輻射換熱系數(shù)hr，可根據(jù)輻射定律[7]描述為

(3)

式中：S為Stefan-Boltzmann常數(shù)，大小為5.67×10-8W/(m2·K4)；ξ為材料黑度，大小為0.6；t為布鋏初始溫度，大小為303K；t∞為工作環(huán)境溫度，大小為473K。

經(jīng)計(jì)算，輻射換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于對(duì)流換熱系數(shù)100W/(m2·K)，故熱輻射忽略不計(jì)。

為簡化求解過程，將布鋏的工作環(huán)境等效為在溫度變化的熱空氣中加熱。在0～3h內(nèi)，空氣溫度從303K線性增加到473K；3h之后，空氣溫度保持473K不變。

2 ANSYS建模分析

2.1 單元類型及材料模型

單元類型：Solid164實(shí)體單元。

布鋏的材料及其物性參數(shù)，如表1所示[8]。為比較主體材料線膨脹系數(shù)對(duì)布鋏的影響，表1中包含了2種不同的材料，即主體1和主體2。

2.2 布鋏建模及網(wǎng)格劃分

由于布鋏的幾何結(jié)構(gòu)和溫度載荷對(duì)稱，以銷軸、刀片、底板的半模型為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到規(guī)則的網(wǎng)格；對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的主體和刀鋏，進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。布鋏網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示。

2.3 外載荷施加

布鋏的銷軸與主體、刀體與布鋏、底板與主體均采用鉚接連接，構(gòu)件間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)且接觸面緊密相連。ANSYS中的“GLUE”命令可保證模型接觸邊界存在，因此用“GLUE”命令將鉚接的構(gòu)件結(jié)合在一起。刀體底部固定在導(dǎo)軌上，故對(duì)其施加Y方向的位置約束；對(duì)半模型的對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界條件。考慮布鋏的質(zhì)量，對(duì)布鋏施加重力加速度約束。用函數(shù)編輯器定義 “溫度-時(shí)間”函數(shù)，對(duì)布鋏所有外表面施加對(duì)流載荷，對(duì)流換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)，在0～3 h內(nèi)空氣溫度從室溫303 K線性增長，直至473 K。

表1 布鋏各零件材料及其物性參數(shù)Tab.1 Materials and physical parameters of stenter clip

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 布鋏溫度場與熱應(yīng)力分布

布鋏在工作過程中，不斷被加熱。仿真計(jì)算加熱5 000 s時(shí)，布鋏未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)布鋏整體的溫度場和熱應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3(a)顯示，布鋏整體溫差很小，不到1 K。布鋏溫度場的微小變化與布鋏的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。刀鋏部分凸面多，與空氣接觸良好，且厚度較薄，導(dǎo)熱快，故刀鋏的溫度略高；主體部分壁厚，導(dǎo)熱慢，導(dǎo)致主體的溫度略低，但是整體上，布鋏溫度分布較均勻。

圖3(b)顯示，熱應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在刀體與底板接觸的直角處，這與模型沒倒角有關(guān)。因?yàn)椴煌慵臒崤蛎浵禂?shù)不同、熱膨脹量不同，導(dǎo)致熱應(yīng)力集中在零件的接觸部位。兩零件間熱膨脹系數(shù)相差越大，熱應(yīng)力越大。

3.2 刀刃熱變形

布鋏在溫度場作用下，產(chǎn)生熱變形。圖4示出銷軸與刀鋏軸孔之間間隙配合(最大間隙等于0.5 mm)和過盈配合(最小過盈等于0)時(shí)，刀刃Y方向的位移。節(jié)點(diǎn)編號(hào)從1到53是刀刃端部到刀刃中間均勻分布的53個(gè)節(jié)點(diǎn)。

從圖4可看出，間隙配合與過盈配合時(shí)，刀刃沿Y方向的位移量，方向相反且變化趨勢不同。過盈配合下，刀刃形狀呈凹形，夾持點(diǎn)在端部，不利于夾持；間隙配合下，刀刃形狀呈波浪形，夾持點(diǎn)間距幾乎為織物寬度的一半，比過盈配合下夾持效果好。

3.3 刀刃熱膨脹量差值

繼續(xù)對(duì)布鋏進(jìn)行加熱，直至15 000 s，布鋏溫度場達(dá)到穩(wěn)態(tài)。主體材料相同時(shí)，采用過盈和間隙2種不同的軸孔配合方式，刀刃熱膨脹量差值如圖5所示。

從圖5可看出，軸孔配合方式的不同不影響刀刃熱膨脹量差值變化趨勢。隨著時(shí)間的增加，刀刃的膨脹量差值不斷增大，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在間隙配合下，刀刃熱變形量差值較大。

當(dāng)主體材料分別選擇表1中的主體1和主體2對(duì)應(yīng)的材料時(shí)，刀刃端點(diǎn)與中點(diǎn)熱膨脹量差值的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。雖然主體的線膨脹系數(shù)不同，但是刀刃熱膨脹量差值變化趨勢一致。隨著時(shí)間的增加，刀刃的熱膨脹量差值不斷增大，直到12 000 s左右時(shí)達(dá)到最大，不再改變。主體1的材料是現(xiàn)階段普遍采用的膨脹系數(shù)較大的鋁合金材料，大膨脹系數(shù)會(huì)導(dǎo)致刀片產(chǎn)生大的熱膨脹量差值，影響夾持效果。主體2采用膨脹系數(shù)相對(duì)較小的鑄鐵材料，計(jì)算結(jié)果表明，可以減小熱膨脹量差值，提高布鋏的夾持效果。

3.4 刀刃與底板間隙

在溫度場的作用下，刀刃與底板會(huì)產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致二者之間的間隙改變，影響布鋏的夾持效果。主體軸孔與銷軸的配合方式不同，會(huì)得到不同的間隙形狀，如圖7所示。

從圖7可看出：過盈配合下，刀刃與底板的變形趨勢相反，導(dǎo)致刀刃與底板端部之間的間隙小，中間間隙大，不利于夾持，且易導(dǎo)致織物的損傷；間隙配合下，刀刃和底板的變形趨勢一致，產(chǎn)生的間隙形狀規(guī)則，有助于布鋏夾持。

3.5 刀鋏軸孔熱應(yīng)力

根據(jù)機(jī)械廠提供的資料得知，布鋏失效的方式之一是軸孔磨損嚴(yán)重[9]。在軸孔過盈和間隙2種不同的配合下，得到不同的軸孔熱應(yīng)力分布，如圖8所示。

從仿真結(jié)果看出：過盈配合下，軸孔的熱應(yīng)力在圓周方向分布均勻；間隙配合下，熱應(yīng)力集中在軸孔接觸部分，最大熱應(yīng)力比過盈配合下的熱應(yīng)力小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，減小了軸孔磨損，但鋁合金材料常溫下，受應(yīng)力作用產(chǎn)生的蠕變也很明顯[10]，此處未考慮蠕變行為，故引起主體軸孔變形的原因還需要進(jìn)一步討論。

3.6 銷軸熱應(yīng)力

在過盈和間隙2種不同的軸孔配合下，得到不同的軸熱應(yīng)力分布，如圖9所示。

從仿真結(jié)果看出，過盈配合下，沿著軸線方向，從內(nèi)部到軸端熱應(yīng)力越來越大。間隙配合下，熱應(yīng)力集中在與主體和刀鋏接觸的地方，且熱應(yīng)力沿著接觸點(diǎn)擴(kuò)散，整體熱應(yīng)力比過盈配合小，減小了銷軸的磨損。

4 結(jié) 語

本文通過建立布鋏的有限元模型，對(duì)布鋏整個(gè)夾持過程進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。針對(duì)不同的軸孔配合方式和不同的主體材料，對(duì)布鋏進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

1)不考慮布鋏所受拉幅力情況下，溫度趨近于穩(wěn)態(tài)時(shí)，表面溫差很小，熱變形主要取決于各零件的結(jié)構(gòu)形式及材料性能。

2)布鋏主體部分的結(jié)構(gòu)、軸孔的配合方式對(duì)刀刃熱變形影響很大，甚至?xí)淖兎植稼厔?。沿著刀刃長度方向的Y方向位移量體現(xiàn)了刀刃與底板接觸位置，反映了與織物的接觸力的分布狀況，決定了布鋏的夾持效果。

3)布鋏主體部分的材料性能對(duì)熱膨脹量差值影響很大。采用線膨脹系數(shù)小的鑄鐵替換傳統(tǒng)的主體材料鋁合金，可減小刀刃熱膨脹量差值，有利于布鋏的夾持。

4)銷軸與孔采用間隙配合，有利于減少布鋏主體部分的熱變形影響，降低熱應(yīng)力。同時(shí)可得到均勻的刀刃和底板間隙，利于布鋏的夾持。

5)修磨刀刃底面形狀時(shí)，要考慮到銷軸與孔的配合形式。只考慮受熱情況下，過盈配合時(shí)刀刃兩端的修磨量是間隙配合的2～4倍。

FZXB

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Analysis on hot-structure coupling of stenter clip using ANSYS

YIN Miaomiao1，2， YUE Xiaoli1， WANG Jian1， ZHAO Wen1， ZHANG Sheng3， HU Tao1

(1. College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China； 2. Key Lab of Eco-Textile, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China； 3. Jiangsu Little Sun Machine Technology Co., Ltd., Yixing, Jiangsu 214241, China)

In order to solve invalidation problem of the clip caused by poor clamping and improve the service life of the clip, the clip structure form and material performance were studied. The working principle of clip was analyzed, and clip model was established. The suffered heat load and constraint were determined based on its working conditions. Then by analyzing the heat - structure coupling on the clip with ANSYS software, the transient temperature field and stress field distribution overall clip was obtained. According to the simulation on matching method between shaft and stenter clip and different main body materials, the difference in value between thermal expansion, thermal expansion on the blade, gap shape between blade and baseplate, and thermal stress between shaft and hole were calculated. It is concluded from the analysis on clamping effect and service life that the clearance fit is better than the interfenence fit. The results would provide the reference for the selection of main body′s materials and grinding blade shape.

stenter clip； hot-structure coupling； temperature field； fit mode

10.13475/j.fzxb.20150505206

2015-05-27

2015-12-18

國家支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目(2014BAF06B01)；中央高校基金項(xiàng)目(JD-ST-2014002)

尹苗苗(1993—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。岳曉麗，通信作者，E-mail：xlyue@dhu.edu.cn。

TS 103.8

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