經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與疲勞分析

趙全鵬 楊建成 劉艷哲 黃子文

摘 要：為提升經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動態(tài)補(bǔ)償能力，適應(yīng)三維間隔織物劍桿織機(jī)的高速化織造需要，引入可吸收應(yīng)力的變剛度氣動肌腱作為原動件，設(shè)計(jì)了一種新型經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。采用有限元技術(shù)對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)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(chǔ)上采用變密度法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，隨后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果在SW中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并采用有限元仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：拓?fù)鋬?yōu)化后的機(jī)構(gòu)可以減重13.32%，同時應(yīng)力、應(yīng)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(dá)17.91年，滿足織機(jī)使用年限的需要。最后在VSI系列樣機(jī)上進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，分析優(yōu)化前后的張力采樣曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后的織機(jī)經(jīng)紗張力波動更加平穩(wěn)，機(jī)構(gòu)動態(tài)特性有效提升。

關(guān)鍵詞：張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化設(shè)計(jì)；模態(tài)分析；疲勞壽命分析

中圖分類號：TS103.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）03-0027-09

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)送經(jīng)系統(tǒng)的主要功能是按照織物結(jié)構(gòu)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(shè)置的上機(jī)張力，運(yùn)用自身的運(yùn)動來保持經(jīng)紗張力的穩(wěn)定，調(diào)節(jié)其它運(yùn)動因素所引起的張力波動［1］。隨著織機(jī)的高速化和智能化發(fā)展，間隔織物織機(jī)對送經(jīng)系統(tǒng)的動態(tài)補(bǔ)償能力提出了更高要求。間隔織物織機(jī)較常規(guī)織機(jī)具有特殊性，其具有兩條用于織造層紗的地經(jīng)和一條實(shí)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(jī)送經(jīng)系統(tǒng)，每個送經(jīng)機(jī)構(gòu)分成三部分：送經(jīng)軸部分、張力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、張力檢測裝置。張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是送經(jīng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償功能的部分，是實(shí)現(xiàn)送經(jīng)功能的核心。

對于織機(jī)送經(jīng)系統(tǒng)的完善與發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)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(jī)械構(gòu)件分別進(jìn)行了整體和局部靜力學(xué)分析研究，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施；王斯勇［3］建立了送經(jīng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整方向；武銀飛等［4］闡述了電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)基本原理與組成，為送經(jīng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了參考方案；鄭寶平等［5］詳細(xì)分析了送經(jīng)系統(tǒng)中張力調(diào)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(yùn)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(chǔ)；Kim等［6］建立了送經(jīng)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了單后梁的送經(jīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。

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(jī)所進(jìn)行的，二維織物織機(jī)和三維織物織機(jī)具有明顯的差別，三維間隔織物劍桿織機(jī)送經(jīng)機(jī)構(gòu)較普通織機(jī)有如下特點(diǎn)：新增的實(shí)現(xiàn)織物“站立”的絨經(jīng)對開口的幅度有較大要求，所設(shè)計(jì)送經(jīng)機(jī)構(gòu)應(yīng)具備更高的動態(tài)張力調(diào)整能力，以應(yīng)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(yīng)具有靈敏的響應(yīng)性能［11-12］。因此研究三維間隔織物織機(jī)的經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有重要的實(shí)際意義。本文將對三維間隔織物織機(jī)經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

三維織機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)性和精確度提出了更高要求?，F(xiàn)有張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的原理是運(yùn)用變剛度氣動肌腱驅(qū)動擺動雙后梁實(shí)現(xiàn)對張力的調(diào)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(nèi)。其所具有的反應(yīng)速度快、調(diào)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(shí)現(xiàn)了精簡機(jī)構(gòu)，切實(shí)提高機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度和響應(yīng)性能［13-16］。氣動肌腱是仿照肌肉的自然運(yùn)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(gòu)成，膜片用于密封氣體，纖維用于傳遞強(qiáng)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(nèi)部氣壓可獲得不同的剛度，在織造過程中可實(shí)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(nèi)絕對壓力，Pa。

所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的三維模型中，固定后梁作為回轉(zhuǎn)中心，其芯軸通過軸承安裝在織機(jī)墻板上，擺臂將固定后梁和活動后梁芯軸聯(lián)結(jié)為一體，氣動肌腱與擺臂之間采用銷釘鉸接，氣動肌腱驅(qū)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(diào)節(jié)的順利進(jìn)行，最大限度地確保了織造三維織物時機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性。

2 張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的可靠性，提升機(jī)構(gòu)的靜、動態(tài)力學(xué)性能以適應(yīng)三維織物的織造需要，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析、模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，合理的輕量化設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)更加可靠。

2.1 機(jī)構(gòu)有限元分析

運(yùn)用Workbench中的Static Structural模塊對機(jī)構(gòu)進(jìn)行極限工況下的仿真分析。

a） 創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的有限元模型

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

b） 機(jī)構(gòu)各零件材料設(shè)定

基于對機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量和其運(yùn)動特性的考慮，同時兼顧連接強(qiáng)度和成本，選定各結(jié)構(gòu)的材料。固定塊和后梁的芯軸選用綜合力學(xué)性能較好的45號鋼，擺臂選用強(qiáng)度高和疲勞性能強(qiáng)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(xué)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(yùn)用整體自動劃分網(wǎng)格與關(guān)鍵零部件細(xì)化網(wǎng)格相結(jié)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(jié)果表明隨著網(wǎng)格劃分的細(xì)密，仿真時最大位移值和最大應(yīng)力數(shù)值將收斂于精確值，但運(yùn)算速度隨之下降，為了兼顧求解速度和結(jié)果準(zhǔn)確度，將網(wǎng)格大小設(shè)定為3 mm，劃分后單元格數(shù)為105896，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為259359，網(wǎng)格質(zhì)量均值0.769，大于0.7，能達(dá)到較好效果。機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

d） 極限工況的載荷施加

機(jī)構(gòu)的驅(qū)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)極限工況時的載荷狀態(tài)。機(jī)構(gòu)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(jī)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(jī)構(gòu)靜力學(xué)求解

對機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)求解后，后處理得到張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的最大變形云圖和等效應(yīng)力云圖，如圖5與圖6所示。

由圖5可知，張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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(diào)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(jī)構(gòu)有較大的減重空間。

由圖6可得，張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)最大等效應(yīng)力發(fā)生在擺臂與氣壓肌腱連接過渡的位置，最大等效應(yīng)力值為4.859 MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁合金的屈服強(qiáng)度值505 MPa，故不會發(fā)生疲勞失效的狀況，可以進(jìn)一步減重以達(dá)到輕量化目標(biāo)。

2.2 張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受到紗線施加給的周期性激勵，加之其自身的經(jīng)紗調(diào)節(jié)運(yùn)動也是周期性的，二者會產(chǎn)生周期性的振動。因此需進(jìn)行模態(tài)分析掌握其固有頻率特性，避免激振源與機(jī)構(gòu)產(chǎn)生共振發(fā)生失效。圖7為利用Workbench中的Modal模塊解算出機(jī)構(gòu)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(jī)完整工作周期是0.1 s，周期內(nèi)有兩個峰值，分別為打緯運(yùn)動與開口運(yùn)動所產(chǎn)生。兩峰值之間的間隔是10/36周期，由此可得該織機(jī)工作頻率為36 Hz。同時，機(jī)構(gòu)是安裝在織機(jī)墻板上，需要考慮織造時機(jī)構(gòu)與墻板發(fā)生共振的頻率。對樣機(jī)墻板進(jìn)行共振測試后得其共振頻率值是44.5 Hz［17］。張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)前六階固有頻率與織機(jī)工作頻率以及墻板共振頻率之間差值巨大，機(jī)構(gòu)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(jī)織造需要，故可以進(jìn)一步輕量化。

2.3 變密度法拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

由靜力學(xué)求解結(jié)果可知，經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)在極限載荷下仍具有較大的減重空間。為了在輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)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(chǔ)上對機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

a） 拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型

優(yōu)化區(qū)域是張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)變量為區(qū)域內(nèi)相對單元材料密度，定義域設(shè)置為［0，1］，約束條件設(shè)置為最大應(yīng)力和最大應(yīng)變，模型的目標(biāo)函數(shù)為最小重量，數(shù)學(xué)模型表達(dá)為：

式中：ρ為設(shè)計(jì)變量，c（x）是目標(biāo)函數(shù)，V為計(jì)算區(qū)域體積，E（ρ）表示ρi彈性模量，P是懲罰因子，E0為實(shí)際彈性模量，M*是優(yōu)化后重量上限，n為計(jì)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(biāo)函數(shù)的性質(zhì)，引進(jìn)了新的參數(shù)g改進(jìn)此模型，每次迭代后所得的密度再參與該運(yùn)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(qiáng)度因子。

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

b） 拓?fù)鋬?yōu)化的過程與結(jié)果分析

首先將拓?fù)鋬?yōu)化模塊鏈接到靜力學(xué)分析結(jié)果。在拓?fù)鋬?yōu)化的前處理中，選擇優(yōu)化區(qū)域?yàn)榻?jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中除固定后梁和活動后梁芯軸以外的區(qū)域，設(shè)定本次優(yōu)化的效應(yīng)約束為質(zhì)量的80%，優(yōu)化目標(biāo)依照數(shù)模設(shè)置為最小質(zhì)量進(jìn)行求解，多次迭代后得出拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果如圖8所示。從結(jié)果可得到可移除、需要保留以及臨界區(qū)域，整個機(jī)構(gòu)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(xué)分析結(jié)果比較后得知移除材料位置均無明顯超量的應(yīng)變與應(yīng)力，優(yōu)化較合理。

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，在SW中進(jìn)行了相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體結(jié)構(gòu)改進(jìn)包括：固定塊長度精簡至原來的2/3，寬度過渡面做相應(yīng)圓角；起橋梁作用的擺臂左側(cè)邊角增大圓角至原來的2倍，右下方輪廓向內(nèi)推進(jìn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化后的三維模型如圖9所示。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 靜力學(xué)與模態(tài)分析驗(yàn)證

將優(yōu)化后的經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)導(dǎo)入Workbench進(jìn)行靜力學(xué)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(jī)構(gòu)的總變形云圖和等效應(yīng)力圖，結(jié)果如圖10與圖11所示。

靜力學(xué)分析結(jié)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(yīng)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(yù)測效果，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)的動態(tài)特性明顯提升。綜上所述，優(yōu)化后機(jī)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)特性均更加符合三維織造對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)性要求。

3.2 關(guān)鍵零部件的疲勞分析

經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要周期性地運(yùn)動來調(diào)節(jié)經(jīng)紗波動，而調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中受載荷最頻繁、復(fù)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(yù)測會嚴(yán)重影響織造的正常進(jìn)程，因此對擺臂進(jìn)行疲勞分析十分關(guān)鍵。下面基于線性累積損傷理論對擺臂進(jìn)行疲勞分析［22-23］。該理論認(rèn)為，若零件在循環(huán)應(yīng)力（應(yīng)力幅σ）作用N次后破壞，那么每次作用對零件產(chǎn)生的破壞是D=1/N，第n次產(chǎn)生的破壞就是D=n/N，現(xiàn)假設(shè)零件受循環(huán)應(yīng)力nn次，對應(yīng)的應(yīng)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(qiáng)度鋁合金，在ANSYS中輸入材料性能參數(shù)并運(yùn)算，運(yùn)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(jī)構(gòu)多體動力學(xué)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(shè)計(jì)時所選用氣動肌腱作用力范圍為0～1600 N，證實(shí)了氣動肌腱選型的恰當(dāng)性，故氣動肌腱能滿足張力調(diào)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(xué)應(yīng)力分析結(jié)果文件和擺臂材料的ε－N曲線以及載荷譜導(dǎo)入到模型中，求解器設(shè)置后進(jìn)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(diǎn)數(shù)對應(yīng)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(yīng)的單元格為42514，據(jù)此判斷出循環(huán)次數(shù)最小點(diǎn)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(jī)工作年限需求，契合優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化對提高三維織機(jī)張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)靜、動態(tài)特性的有效性，在試制的VSI系列三維劍桿織機(jī)上進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，即分別將制造出的優(yōu)化前和優(yōu)化后張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)裝配在樣機(jī)上進(jìn)行張力采樣實(shí)驗(yàn)，實(shí)況如圖14所示。實(shí)驗(yàn)在緯密為30根/cm，主軸轉(zhuǎn)速為420 r/min的條件下進(jìn)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(chǎn)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(yīng)值的49.6%。顯然，優(yōu)化后的織機(jī)經(jīng)紗張力波動更加平穩(wěn)、調(diào)整周期更短、調(diào)整速度更快，證明拓?fù)鋬?yōu)化后動態(tài)特性明顯提升，契合三維織機(jī)對張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)性要求。

5 結(jié) 論

本文以三維間隔織物織機(jī)的經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為研究對象，為提高其動態(tài)補(bǔ)償特性和響應(yīng)性，進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化和疲勞分析，得到如下結(jié)論：

a） 設(shè)計(jì)了基于氣動肌腱的經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS對其進(jìn)行了靜力學(xué)分析、模態(tài)分析，在此分析結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行了變密度拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后減重13.32%。

b） 采用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性，對優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析并在nCode中采用線性累計(jì)損傷理論對機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件擺臂進(jìn)行了疲勞分析，仿真結(jié)果表明，極限工況下的應(yīng)力、應(yīng)變等機(jī)械性能保持良好，其靜態(tài)特性和動態(tài)補(bǔ)償能力得到了顯著提升，機(jī)構(gòu)的最小疲勞壽命可達(dá)17.91年，滿足織機(jī)工作年限的需要。

c） 在VSI系列三維織機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行了機(jī)構(gòu)優(yōu)化前后張力采樣值對比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)對提升張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動態(tài)性能的有效性。

d） 完善了經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程，為采用該方案思路對三維織機(jī)其他關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考。

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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