基于虛擬樣機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

唐朝飛,李 晶,張利鋒,劉建軍,劉紅衛(wèi)

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(jī)的引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安康本材料有限公司,陜西 西安 710089)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)劍桿織機(jī)性能偏低等問(wèn)題,利用虛擬樣機(jī)技術(shù),在Pro/E中構(gòu)造空間連桿引緯機(jī)構(gòu)實(shí)體模型,再運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS和機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行分析研究,對(duì)空間連桿引緯機(jī)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化．結(jié)果表明,優(yōu)后后的引緯機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu);虛擬樣機(jī)

0 引 言

碳纖維及碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高模、耐疲勞、耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性,在社會(huì)各個(gè)層面得到了廣泛應(yīng)用,是國(guó)家戰(zhàn)略性高科技纖維材料[1-4]．但目前國(guó)產(chǎn)碳纖維布的質(zhì)量同國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比差距甚大,而且在織造碳纖維布的過(guò)程中易起毛、易粘連、易斷頭等,給國(guó)產(chǎn)碳纖維布織造技術(shù)提出了新課題,對(duì)織造碳纖維布的劍桿織機(jī)的性能有了更高的要求[5-7]．

目前,對(duì)于劍桿織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的優(yōu)化主要應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行仿真分析和研究[8-13].如文獻(xiàn)[8]應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)共軛凸輪引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析,通過(guò)改進(jìn)凸輪輪廓曲線以優(yōu)化引緯運(yùn)動(dòng)曲線;文獻(xiàn)[9]基于Visual Basic 6.0平臺(tái)分析了幾個(gè)重要參數(shù)對(duì)非圓齒輪節(jié)曲線的影響,對(duì)該參數(shù)下的引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析得到滿足符合引緯要求的參數(shù);文獻(xiàn)[10]針對(duì)共軛凸輪引緯機(jī)構(gòu)提出一種運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法,利用數(shù)學(xué)方法得出引緯機(jī)構(gòu)的最優(yōu)曲線圖.這些研究主要從優(yōu)化引緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律入手,而隨著織機(jī)運(yùn)行速度的提高,引緯機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的質(zhì)量及剛度對(duì)織機(jī)影響愈加明顯,文中從織機(jī)構(gòu)件質(zhì)量及剛度的角度出發(fā)對(duì)織機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,改善織機(jī)的動(dòng)態(tài)性能,提升碳纖維引緯的質(zhì)量．

1 空間連桿引緯機(jī)構(gòu)的物理模型

1—齒輪;2—運(yùn)動(dòng)軸;3—空間搖桿;4—插座軸;5—底座;6—銷(xiāo)軸;7—平面搖桿;8—平面連桿;9—滑塊;10—?jiǎng)Φ?11—?jiǎng)U圖 1 空間連桿引緯機(jī)構(gòu)三維 實(shí)體模型Fig.1 3D model of spatial linkage weft insertion mechanism

1.1 虛擬樣機(jī)的幾何建模

在Pro/E環(huán)境下實(shí)現(xiàn)空間連桿引緯機(jī)構(gòu)的裝配,并對(duì)機(jī)構(gòu)中的裝配關(guān)系、零部件的幾何尺寸等進(jìn)行全面的驗(yàn)證和干涉檢查．空間連桿引緯機(jī)構(gòu)Pro/E三維實(shí)體模型及其運(yùn)動(dòng)原理如圖1所示, 齒輪1在紙面垂直的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),齒輪通過(guò)球面副連接帶動(dòng)著空間搖桿3做空間運(yùn)動(dòng),使平面機(jī)構(gòu)中的底座5繞銷(xiāo)軸6擺動(dòng),通過(guò)平面搖桿7(同時(shí)此構(gòu)件亦為運(yùn)動(dòng)放大系統(tǒng)中一個(gè)構(gòu)件)將運(yùn)動(dòng)傳遞到平面連桿8,平面連桿8通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與滑塊9連接,由滑塊9帶動(dòng)著劍桿11做來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)．

1.2 虛擬樣機(jī)物理建模

將在Pro/E軟件建立的幾何模型導(dǎo)入ADAMS軟件平臺(tái)中去,獲得ADAMS環(huán)境下的空間連桿引緯機(jī)構(gòu)的幾何模型．為了完成研究工作,仍需要建立起樣機(jī)的物理模型[14-15],即要設(shè)置各個(gè)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(jié)構(gòu)鋼,零件間需添加約束關(guān)系,如表1所示．

表 1 零件約束關(guān)系表Table 1 The constraint relations of part

2 空間連桿引緯機(jī)構(gòu)動(dòng)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(shè)置齒輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為3 000r/min,而仿真時(shí)間和步長(zhǎng)使用ADAMS的仿真控制面板進(jìn)行設(shè)置,仿真時(shí)間設(shè)置為0.25s,步數(shù)為500步．在此工況下,仿真結(jié)束后,進(jìn)入后處理模塊進(jìn)行分析,如圖2所示．

本型劍桿織機(jī)仿真后的劍桿位移、速度和加速度如圖2所示,其中單個(gè)劍桿的幅值為1.0m,由于左右劍桿對(duì)稱,因此劍桿織機(jī)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(gè)平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成垂直于該平面的另一平面的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng),是比較關(guān)鍵的構(gòu)件,有必要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化．空間搖桿受到的作用力來(lái)自2個(gè)方面:上端來(lái)自與齒輪相連接時(shí)的作用力,下端來(lái)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(yùn)動(dòng)副的作用力,反映了空間搖桿與齒輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)副的作用力,反映了空間搖桿在與底座做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 空間搖桿強(qiáng)度分析

在ANSYS Workbench中導(dǎo)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(duì)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(cè)得的數(shù)值進(jìn)行施加．

從應(yīng)力云圖中分析得到最大的應(yīng)力點(diǎn)位于空間搖桿的下端,其值為174MPa．由機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)查得,材料的許用應(yīng)力為300MPa,故沒(méi)有超過(guò)材料的許用應(yīng)力．但從整體應(yīng)力云圖分析可以得到空間搖桿絕大多數(shù)地方應(yīng)力小于19MPa,因此空間搖桿部件還有待進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可以加強(qiáng)最大應(yīng)力點(diǎn)處厚度及圓角半徑,同時(shí)減小其他地方厚度等,使其應(yīng)力分布更加均勻,同時(shí)減小空間搖桿質(zhì)量,提高引緯機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能．

3.2 空間搖桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)空間搖桿的強(qiáng)度分析結(jié)果中可以看出:

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

(2) 空間搖桿最大應(yīng)力點(diǎn)位于其下端的圓角處．

基于上述分析,對(duì)空間搖桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn).改進(jìn)后分析空間搖桿所受應(yīng)力云圖，可知改進(jìn)取得了成效:空間搖桿上端所受應(yīng)力最大值提高,從空間搖桿改進(jìn)前后應(yīng)力云圖的應(yīng)力區(qū)域可以看出,由原來(lái)的不大于58MPa提高到不低于67MPa;空間搖桿下端最大應(yīng)力值由原來(lái)的170MPa降低為150MPa;通過(guò)重新設(shè)計(jì)空間搖桿中間部分結(jié)構(gòu)及其上端部分結(jié)構(gòu),使得空間搖桿的整體質(zhì)量有了大幅度的降低．通過(guò)PRO/E自身所帶的分析模塊下的體積測(cè)量計(jì)算得出,空間搖桿的體積由原來(lái)175 937mm3減少到127 701mm3,相應(yīng)的空間搖桿的重量降低了27.4%,使得空間搖桿在劍桿織機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能提高．

4 引緯機(jī)構(gòu)底座模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

振動(dòng)現(xiàn)象是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中比較常見(jiàn)的問(wèn)題,當(dāng)前劍桿織機(jī)朝著高速化的方向發(fā)展,這為織機(jī)帶來(lái)了不可避免的振動(dòng),而振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)設(shè)備影響甚大[16]．底座在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用,同時(shí)又是平面運(yùn)動(dòng)放大系統(tǒng)的組成構(gòu)件,研究底座結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)動(dòng)情況振動(dòng)就顯得十分必要．而模態(tài)分析方法就是確定機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性 (包括固有頻率與振型)的方法,同時(shí)也是其他動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)．

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(dǎo)入底座CAD模型之后,建立底座的物理模型,對(duì)其進(jìn)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(kāi)始出現(xiàn)振型的變化,模態(tài)分析結(jié)果如表2所示．

4.2 底座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了降低底座的振動(dòng)和噪聲輻射,需通過(guò)一定的手段來(lái)提高底座的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度．主要采取2種方法:首先是適當(dāng)調(diào)整部件的壁厚;其次,加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)．基于這兩點(diǎn),分析各階振型可知,底座的前半部分構(gòu)件結(jié)構(gòu)需要調(diào)整,故提出以下優(yōu)化方法:

(1) 底座前半部分結(jié)構(gòu)的前方壁厚尺寸由10mm適當(dāng)增加為14mm,左右兩邊尺寸由12.5mm適當(dāng)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(cè)和左右兩側(cè)分別布置兩個(gè)加強(qiáng)筋．

4.3 底座結(jié)構(gòu)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(duì)優(yōu)化后底座進(jìn)行模態(tài)分析求解計(jì)算,計(jì)算可知,模態(tài)分析結(jié)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(dòng)變形降低,比原結(jié)構(gòu)有顯著改善,有利于降低振動(dòng)和噪聲．

5 結(jié) 論

采用虛擬樣機(jī)建模方法,以Pro/E-ADAMS-ANSYS為基礎(chǔ)平臺(tái),建立空間連桿引緯機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的樣機(jī),對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直觀檢驗(yàn),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)的仿真分析研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化．由分析結(jié)果可知，運(yùn)用該研究方法,有助于提高碳纖維的引緯質(zhì)量．同時(shí),也為改良、設(shè)計(jì)新型劍桿織機(jī)提供了一種參考方法,特別是建立整機(jī)的虛擬樣機(jī)模型,在研究開(kāi)發(fā)針對(duì)織造碳纖維材料專用劍桿織機(jī)的設(shè)計(jì)軟件，解決實(shí)際織造中所出現(xiàn)諸多物理樣機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題方面具有十分重要的意義．

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編輯、校對(duì)：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(xué)基金資助項(xiàng)目(2014JM9364);紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)性項(xiàng)目(2016093)

李晶(1962—),女,福建省福州市人,西安工程大學(xué)教授,研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE/CAM的技術(shù)應(yīng)用.E-mail:ljing62@126.com

唐朝飛,李晶,張利鋒,等.基于虛擬樣機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，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