涂布機(jī)二面機(jī)頭走臺(tái)結(jié)構(gòu)仿真及優(yōu)化

鄒勝 江正賢

摘 ?要：針對(duì)涂布機(jī)二面機(jī)頭設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性要求，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)二面機(jī)頭走臺(tái)進(jìn)行了模態(tài)分析，確定了走臺(tái)前6階振動(dòng)模態(tài)和固有頻率。同時(shí)對(duì)走臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了走臺(tái)的固有頻率。通過比較走臺(tái)優(yōu)化前后的靜力分析，走臺(tái)的整體變形得到了明顯改善，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。其研究結(jié)果對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：涂布機(jī)二面機(jī)頭;走臺(tái);模態(tài)分析;固有頻率;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;

1 引言

近年來在全球大力倡導(dǎo)發(fā)展綠色能源，降低碳排放的趨勢(shì)下，各國對(duì)動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池的需求越來越大。隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，鋰電池的生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。而有一定規(guī)模的鋰電池生產(chǎn)企業(yè)都采用擠壓涂布方式。在鋰電池生產(chǎn)過程中，擠壓式涂布機(jī)就是將正負(fù)極活性物質(zhì)與粘合劑混合均勻，制成糊狀，均勻涂覆于鋰電池基材兩側(cè)[1]。本文要研究的是涂覆極片二面的設(shè)備結(jié)構(gòu)，由于二面機(jī)頭一般都在二層，其重心較高，而承載二面機(jī)頭的走臺(tái)是保證二面機(jī)頭穩(wěn)定涂布的關(guān)鍵。因此，需要考慮走臺(tái)的剛度和強(qiáng)度要求，以及動(dòng)態(tài)特性。運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)二面機(jī)頭走臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)特性分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 走臺(tái)模態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

以四川宜賓某鋰電池涂布機(jī)為研究對(duì)象，二面機(jī)頭放置于走臺(tái)上，其質(zhì)量為3455.8kg。對(duì)二面機(jī)頭走臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，主要是為了研究其在自由狀態(tài)下的固有振動(dòng)特性。為了保證走臺(tái)模型的求解速度和精度，便對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，去除對(duì)走臺(tái)剛度影響很小的細(xì)小特征，如小圓孔、小圓角、小倒角等[2]。在SolidWorks中建立好二面機(jī)頭走臺(tái)的簡化模型后，將其導(dǎo)入有限元分析軟件中定義材料屬性。材料為結(jié)構(gòu)鋼，密度為7850kg/m3，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，許用強(qiáng)度275MPa。涂布機(jī)二面機(jī)頭模型如圖1所示，走臺(tái)簡化模型如圖2所示。

2.2 模態(tài)分析理論

在結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中，機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，具有多個(gè)固有頻率，在阻抗試驗(yàn)中表現(xiàn)為多個(gè)共振區(qū)。一個(gè)N自由度線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為：

方程的根（特征值）即為模型的固有頻率，根據(jù)特征值可求得特征向量，即給定頻率下的振型。對(duì)二面機(jī)頭走臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，可以根據(jù)式（2）計(jì)算求解出其固有頻率和振型。

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

在有限元分析軟件中設(shè)置走臺(tái)模型的零部件接觸類型為Bonded，即接觸面之間不存在切向的相對(duì)滑動(dòng)或法向的相對(duì)分離。對(duì)走臺(tái)的4個(gè)地腳底面進(jìn)行固定約束，求解后得到了走臺(tái)的各階固有頻率及相應(yīng)的振型。一般外部載荷的頻率較低，模態(tài)階數(shù)越高，固有頻率越大，低階固有頻率比高階固有頻率更容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生共振，故主要考慮走臺(tái)的低階模態(tài)。提取前6階模態(tài)，其各階模態(tài)振型如圖3到圖8所示，各階模態(tài)匯總結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，二面機(jī)頭走臺(tái)前3階固有頻率偏低，說明主體結(jié)構(gòu)在X、Z方向上的剛度不足。當(dāng)走臺(tái)受到外界激勵(lì)時(shí)容易發(fā)生共振，會(huì)影響二面機(jī)頭涂布效果。因此，有必要對(duì)走臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其固有頻率，避免共振破壞結(jié)構(gòu)[3]。

3 走臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在對(duì)二面機(jī)頭走臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，考慮走臺(tái)的重心較高，立柱方通跨度大，走臺(tái)下端有其它設(shè)備等因素，優(yōu)化方案主要包括以下幾個(gè)方面：（1）在走臺(tái)立柱方通上端各焊接1個(gè)方通，方通截面尺寸為100×100mm，厚4mm，長950mm;（2）改變中間方通到底部方通的距離;（3）在方通與方通、工字鋼的連接處焊接24個(gè)異形方通。走臺(tái)優(yōu)化后的模型如圖9所示。對(duì)優(yōu)化后的走臺(tái)進(jìn)行了模態(tài)分析，各階模態(tài)振型如圖10到15所示，走臺(tái)優(yōu)化前后前6階固有頻率比較如表2所示。

根據(jù)二面機(jī)頭的質(zhì)心坐標(biāo)，在機(jī)頭與走臺(tái)固定座接觸的面施加遠(yuǎn)端力（二面機(jī)頭自重），同時(shí)添加重力加速度，固定約束走臺(tái)的4個(gè)地腳底面。走臺(tái)優(yōu)化前后靜力變形如圖16、17。

由表2可知，走臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后前6階固有頻率都得到了提高。特別是第1階固有頻率從7.1255Hz增加到11.244Hz，相對(duì)原始第1階固有頻率增加了約57.8%。優(yōu)化后走臺(tái)最大變形由0.9947mm變?yōu)?.62209mm，相對(duì)原始結(jié)構(gòu)減小了37.5%，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)涂布機(jī)二面機(jī)頭走臺(tái)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了走臺(tái)的前6階振動(dòng)模態(tài)和固有頻率，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)原始走臺(tái)剛度不足，故對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了走臺(tái)的固有頻率。通過比較走臺(tái)優(yōu)化前后靜力變形，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。為設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，能有效地節(jié)約成本和縮短研發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

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