基于ANSYS /LS-DYNA的布鋏接觸應力研究

王　見，岳曉麗，尹苗苗，趙　雯，雷　振

(1. 東華大學 a. 機械工程學院；b. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，上海 201620;2． 江蘇小太陽機械科技有限公司，江蘇 宜興 214241)

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基于ANSYS /LS-DYNA的布鋏接觸應力研究

王見1a , 1b，岳曉麗1a，尹苗苗1a，趙雯1a，雷振2

(1. 東華大學 a. 機械工程學院；b. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，上海 201620;2． 江蘇小太陽機械科技有限公司，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，計算并分析刀刃磨損程度、緯向拉幅力、擴幅偏轉(zhuǎn)角等因素對刀刃接觸應力分布狀況的影響. 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；同一類型的刀刃磨損量增加時，布鋏易發(fā)生脫鋏現(xiàn)象；刀刃上接觸應力隨拉幅力的增加而增大，其軸線方向上應力值波動也增大，布鋏易發(fā)生脫鋏現(xiàn)象；隨擴幅偏轉(zhuǎn)角度的增大，布鋏有單側(cè)脫鋏的趨勢.

關鍵詞：布鋏； 接觸應力； 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)織物擴幅程度，被廣泛應用于絲光機、熱定型機等設備. 在使用過程中，布鋏處于高溫和反復拉幅張力的作用，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]. 對于夾持機構(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提高布鋏的可靠性和使用壽命至關重要[2].

現(xiàn)有對布鋏的研究主要包括布鋏的材料、結(jié)構(gòu)設計和力學性能分析. 文獻[3]根據(jù)工廠的實際經(jīng)驗，嘗試開發(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[4]對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)距等情況進行了討論，得到3種布鋏的優(yōu)缺點.文獻[5]對布鋏進行了受力、殘余應力、蠕變分析以及布鋏磨損試驗，在此基礎上對布鋏結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，給出了布鋏設計制造以及提高布鋏使用壽命的初步理論依據(jù). 上述文獻均將布鋏各構(gòu)件作為剛體進行研究，構(gòu)件所受的力相當于集中力，很難得到布鋏失效部位沿軸線方向的應力分布.

本文以江蘇宜興某機械廠生產(chǎn)的XTY-030DD型布鋏為研究對象，結(jié)合織物的拉伸試驗數(shù)據(jù)，以及廠家反饋的相關資料，圍繞布鋏的主要失效部位，利用ANSYS/LS-DYNA軟件，對布鋏的接觸應力進行研究，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

本試驗對常見織物的拉伸性能進行測試，為布鋏有限元分析中拉幅力數(shù)值和織物材料模型設置提供試驗依據(jù). 圖1為試驗用美國Tiniius Olsen公司的雙臂萬能材料試驗機，該儀器能較準確地測出織物的拉伸和斷裂性能. 試驗所用的織物參數(shù)如表1所示，織物試樣尺寸為50mm×200mm. 分別對表1所示的3種織物進行經(jīng)、緯向拉伸試驗，試驗結(jié)果如圖2所示.

圖1　材料試驗機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種織物伸長率如表2所示. 由于在實際工作中，布鋏對織物緯向進行拉伸擴幅，故表2中只給出織物的緯向伸長率.

表2不同拉力下織物緯向伸長率

Table 2The fabric weft elongation rate under different stretching force

拉力/N緯向伸長率/%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通過銷軸6連接，銷軸鉚接在主體軸孔內(nèi)，刀鋏可繞銷軸自由轉(zhuǎn)動. 當織物進入布鋏鏈時，在開鋏盤的推力作用下刀鋏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單元類型和材料模型

刀體、刀鋏、銷軸與主體均選用Solid 164實體單元. 織物具有薄殼特征，可以選用Shell單元. Shell 163相對實體單元是一個簡化積分單元，可以節(jié)省CPU，但存在易出現(xiàn)沙漏狀模態(tài)和應力結(jié)果精度較低等缺點. 本文也嘗試織物使用Shell 163單元，從仿真結(jié)果來看，該單元類型在承受較大載荷時易發(fā)生網(wǎng)格畸變，且相鄰節(jié)點的結(jié)果數(shù)據(jù)波動較大. 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以內(nèi)[5]. 廠家反映布鋏使用一段時間后，刀刃與底板之間局部會產(chǎn)生縫隙，廠家對此提出了相應打磨修配方案. 本文以此為依據(jù)，在SolidWorks軟件中建立布鋏CAD三維實體模型，將三維模型生成.x_t文件導入到ANSYS/LS-DYNA. 三維模型取刀刃與織物接觸線上的兩端點和中點，兩端點坐標位置不變，改變中點豎直方向的坐標值，以這3點定義刀刃圓弧，得到平刀刃、刀刃凹25和50μm、刀刃凸25和50μm共5種刀刃曲面. 相對于零件尺寸，此處微米級的凹凸度，若采用拉伸切除進行建模，在有限元軟件中很難得到規(guī)則的網(wǎng)格，導致局部網(wǎng)格質(zhì)量差，進而影響計算結(jié)果的收斂性. 經(jīng)反復試驗，本文通過SolidWorks變半徑圓角特征實現(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)件沒有相對運動且接觸面緊密相連. 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. 布鋏整個工作過程中有4個接觸對，分別是銷軸與刀鋏軸孔、銷軸與主體、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)點集合定義為不同的Component組件，面與面之間采用自動接觸(ASTS). 提取織物前端面上所有節(jié)點，又創(chuàng)建一個Component組件，并根據(jù)織物拉伸性能試驗數(shù)據(jù)，在該組件上施加拉幅力. 選取刀鋏重心處節(jié)點，施加重力載荷，實現(xiàn)刀鋏在重力作用下的自由下落. 主體底面各節(jié)點自由度完全約束.

4仿真結(jié)果與討論

4.1不同刀刃曲面形式時的應力分布

針對5種不同刀刃曲面形式，在ANSYS/LS-DYNA中沿軸向?qū)挾葹?13.5mm的刀刃上設置300 N/50 mm拉幅力進行加載計算，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力曲線如圖5所示.

圖5　不同刀刃曲面形狀下節(jié)點的應力曲線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)點所受應力較為均勻，布鋏的夾持效果較好. 當?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，刀刃中部節(jié)點所受應力明顯減小，但刀刃兩側(cè)節(jié)點應力波動隨之變大，且出現(xiàn)一個較大的峰值，極易導致該部位織物因承受較大應力發(fā)生撕裂；當?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，刀刃中間部位節(jié)點應力隨之增大，易引起脫鋏失效.

表4所示為各曲面形狀刀刃的接觸應力標準差. 從表4可以看出，平刀刃應力標準差數(shù)值較小，即刀刃上各節(jié)點的接觸應力差值相對較小，布鋏對織物夾持較為牢固. 當?shù)度邪肌⑼苟仍黾訒r，應力標準差數(shù)值隨之增大，即刀體軸線方向接觸應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.

表4　各曲面形狀刀刃的接觸應力標準差

4.2不同緯向拉幅力時的應力分布

根據(jù)織物拉伸試驗數(shù)據(jù)，對不同磨損程度的刀刃曲面形式進行仿真分析. 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力均呈增大趨勢，其中，平刀刃的軸向接觸應力波動較小，凹、凸刀刃的軸向接觸應力波動值隨拉幅力的增加明顯增大，導致布鋏夾持牢度降低，表現(xiàn)為脫鋏趨勢. 因此要保證布鋏有良好的夾持效果，需選擇適當?shù)睦Ψ秶?

4.3不同擴幅偏轉(zhuǎn)角度時的應力分布

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

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

4.4主體軸孔與銷軸的接觸應力

對平刀刃布鋏模型，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力極限為147～246MPa[6]. 由圖8可見，主體軸孔內(nèi)側(cè)圓周上局部位置接觸應力較大，最大接觸應力值為35.81MPa，但遠小于鋁合金材料的屈服應力極限. 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一步討論.

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

5結(jié)語

本文通過建立布鋏和織物的有限元模型，對布鋏整個夾持過程進行接觸應力分析. 依據(jù)布鋏的刀體磨損和實際的外載荷狀況，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，當平刀刃時，刀鋏夾持牢度較高；當?shù)度兄虚g部位或刀刃兩側(cè)的磨損量增大時，均易引發(fā)織物撕裂現(xiàn)象或脫鋏失效.

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

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

(4) 擴幅過程中，主體軸孔局部產(chǎn)生較大應力，在不考慮溫度的情況下，軸孔不會產(chǎn)生永久塑性變形.

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文章編號：1671-0444(2016)03-0414-05

收稿日期：2015-05-12

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目

作者簡介：王見(1989—)，男，山東日照人，碩士研究生，研究方向為機械設計及理論. E-mail: jian_w0419@163.com 岳曉麗(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail：xlyue@dhu.edu.cn

中圖分類號：TS 103. 8

文獻標志碼：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)