基于虚拟样机的引纬机构的结构优化

唐朝飞,李 晶,张利锋,刘建军,刘红卫

(1.西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710048;2.西安康本材料有限公司,陕西 西安 710089)



基于虚拟样机的引纬机构的结构优化

唐朝飞1,李 晶1,张利锋1,刘建军2,刘红卫2

(1.西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710048;2.西安康本材料有限公司,陕西 西安 710089)

针对国产剑杆织机性能偏低等问题,利用虚拟样机技术,在Pro/E中构造空间连杆引纬机构实体模型,再运用大型有限元分析软件ANSYS和机械动力学分析软件ADAMS进行分析研究,对空间连杆引纬机构关键构件进行结构优化．结果表明,优后后的引纬机构质量减轻、刚度增加,性能得到了改善．

碳纤维;空间连杆;引纬机构;虚拟样机

0 引 言

碳纤维及碳纤维复合材料具有高强、高模、耐疲劳、耐高温、导热、导电等特性,在社会各个层面得到了广泛应用,是国家战略性高科技纤维材料[1-4]．但目前国产碳纤维布的质量同国外同类产品相比差距甚大,而且在织造碳纤维布的过程中易起毛、易粘连、易断头等,给国产碳纤维布织造技术提出了新课题,对织造碳纤维布的剑杆织机的性能有了更高的要求[5-7]．

目前,对于剑杆织机引纬机构的优化主要应用虚拟样机技术进行仿真分析和研究[8-13].如文献[8]应用ADAMS软件对共轭凸轮引纬机构进行了运动学、动力学仿真分析,通过改进凸轮轮廓曲线以优化引纬运动曲线;文献[9]基于Visual Basic 6.0平台分析了几个重要参数对非圆齿轮节曲线的影响,对该参数下的引纬机构进行运动仿真分析得到满足符合引纬要求的参数;文献[10]针对共轭凸轮引纬机构提出一种运动学求解方法,利用数学方法得出引纬机构的最优曲线图.这些研究主要从优化引纬机构运动规律入手,而随着织机运行速度的提高,引纬机构中各构件的质量及刚度对织机影响愈加明显,文中从织机构件质量及刚度的角度出发对织机进行结构的优化,改善织机的动态性能,提升碳纤维引纬的质量．

1 空间连杆引纬机构的物理模型

1—齿轮;2—运动轴;3—空间摇杆;4—插座轴;5—底座;6—销轴;7—平面摇杆;8—平面连杆;9—滑块;10—剑道;11—剑杆图 1 空间连杆引纬机构三维 实体模型Fig.1 3D model of spatial linkage weft insertion mechanism

1.1 虚拟样机的几何建模

在Pro/E环境下实现空间连杆引纬机构的装配,并对机构中的装配关系、零部件的几何尺寸等进行全面的验证和干涉检查．空间连杆引纬机构Pro/E三维实体模型及其运动原理如图1所示, 齿轮1在纸面垂直的平面内做圆周运动,齿轮通过球面副连接带动着空间摇杆3做空间运动,使平面机构中的底座5绕销轴6摆动,通过平面摇杆7(同时此构件亦为运动放大系统中一个构件)将运动传递到平面连杆8,平面连杆8通过转动副与滑块9连接,由滑块9带动着剑杆11做来回往复运动．

1.2 虚拟样机物理建模

将在Pro/E软件建立的几何模型导入ADAMS软件平台中去,获得ADAMS环境下的空间连杆引纬机构的几何模型．为了完成研究工作,仍需要建立起样机的物理模型[14-15],即要设置各个零件的材料,除零件7的材料为铝合金外,其他零件材料均为结构钢,零件间需添加约束关系,如表1所示．

表 1 零件约束关系表Table 1 The constraint relations of part

2 空间连杆引纬机构动态仿真分析

图 2 剑杆位移、速度和加速度Fig.2 Rapier′s position, velocity and acceleration

在ADAMS控制面板中,设置齿轮的电机驱动转速为3 000r/min,而仿真时间和步长使用ADAMS的仿真控制面板进行设置,仿真时间设置为0.25s,步数为500步．在此工况下,仿真结束后,进入后处理模块进行分析,如图2所示．

本型剑杆织机仿真后的剑杆位移、速度和加速度如图2所示,其中单个剑杆的幅值为1.0m,由于左右剑杆对称,因此剑杆织机的织造碳纤维布的宽度为2.0m．在3 000r/min下,剑杆的速度最大值为9.5m/s,最小值为-9.5m/s,其加速度最大值为550m/s2,最小值为-440 m/s2．由于碳纤维本身抗剪切性能较低,所以较小峰值的速度和加速度更有利于碳纤维的引纬．

空间摇杆将主轴由一个平面的旋转运动转换成垂直于该平面的另一平面的水平往复运动,是比较关键的构件,有必要对其进行强度分析和结构优化．空间摇杆受到的作用力来自2个方面:上端来自与齿轮相连接时的作用力,下端来自与底座相连接的插座轴的作用力．

空间摇杆上端与齿轮相连接所受力即为运动副的作用力,反映了空间摇杆与齿轮相对运动时所受的力,作用力变化曲线如图3所示．

空间摇杆下端与底座相连接的插座轴所受到力即为运动副的作用力,反映了空间摇杆在与底座做相对运动时所受的力,作用力变化曲线如图4所示．

图 3 空间摇杆与齿轮连接所受的作用力 图 4 空间摇杆与底座连接所受的作用力 Fig.3 The force of spatial linkage from gear Fig.4 The force of spatial linkage from pedestal

3 空间摇杆强度分析与结构优化

3.1 空间摇杆强度分析

在ANSYS Workbench中导入空间摇杆CAD模型之后,空间摇杆上下端分别施加约束,将齿轮、底座对空间摇杆的作用力分别加载到空间摇杆上端、下端连接处,其中载荷值的大小依据上述ADAMS所测得的数值进行施加．

从应力云图中分析得到最大的应力点位于空间摇杆的下端,其值为174MPa．由机械工程材料性能数据手册查得,材料的许用应力为300MPa,故没有超过材料的许用应力．但从整体应力云图分析可以得到空间摇杆绝大多数地方应力小于19MPa,因此空间摇杆部件还有待进行结构优化,可以加强最大应力点处厚度及圆角半径,同时减小其他地方厚度等,使其应力分布更加均匀,同时减小空间摇杆质量,提高引纬机构动态性能．

3.2 空间摇杆结构优化

对空间摇杆的强度分析结果中可以看出:

(1) 空间摇杆壁厚上的应力值比较小,这使得空间摇杆所受的应力分布很不均匀;

(2) 空间摇杆最大应力点位于其下端的圆角处．

基于上述分析,对空间摇杆进行结构优化与改进.改进后分析空间摇杆所受应力云图，可知改进取得了成效:空间摇杆上端所受应力最大值提高,从空间摇杆改进前后应力云图的应力区域可以看出,由原来的不大于58MPa提高到不低于67MPa;空间摇杆下端最大应力值由原来的170MPa降低为150MPa;通过重新设计空间摇杆中间部分结构及其上端部分结构,使得空间摇杆的整体质量有了大幅度的降低．通过PRO/E自身所带的分析模块下的体积测量计算得出,空间摇杆的体积由原来175 937mm3减少到127 701mm3,相应的空间摇杆的重量降低了27.4%,使得空间摇杆在剑杆织机运动过程中的动态性能提高．

4 引纬机构底座模态分析与结构优化

振动现象是机械结构系统中比较常见的问题,当前剑杆织机朝着高速化的方向发展,这为织机带来了不可避免的振动,而振动现象对设备影响甚大[16]．底座在机构运动转化过程中起着关键作用,同时又是平面运动放大系统的组成构件,研究底座结构在不同运动情况振动就显得十分必要．而模态分析方法就是确定机械结构系统的振动特性 (包括固有频率与振型)的方法,同时也是其他动力学动态分析的基础．

表 2 底座各阶固有频率和振型Table 2 The natural frequency and vibration mode of pedestal

4.1 底座的模态分析

在ANSYS Workbench导入底座CAD模型之后,建立底座的物理模型,对其进行模态分析．由模态分析可知,底座的前两阶振型为刚体模态,从三阶振型开始出现振型的变化,模态分析结果如表2所示．

4.2 底座的结构优化

为了降低底座的振动和噪声辐射,需通过一定的手段来提高底座的结构刚度和强度．主要采取2种方法:首先是适当调整部件的壁厚;其次,加强局部结构．基于这两点,分析各阶振型可知,底座的前半部分构件结构需要调整,故提出以下优化方法:

(1) 底座前半部分结构的前方壁厚尺寸由10mm适当增加为14mm,左右两边尺寸由12.5mm适当增加为14mm．

表 3 优化后底座各阶固有频率和振型Table 3 The natural frequency and vibr- ation mode of optimized pedestal

(2) 底座前半部分的前侧和左右两侧分别布置两个加强筋．

4.3 底座结构优化后的模态分析

在ANSYS Workbench中底座物理模型建立完成之后,对优化后底座进行模态分析求解计算,计算可知,模态分析结果如表3所示．

由上述底座优化后前六阶各阶固有模态频率可以看出,与优化前底座前六阶的固有模态频率相比较,整体有了较大的提高．根据模态理论可知,底座频率提高,刚度增大,动变形降低,比原结构有显著改善,有利于降低振动和噪声．

5 结 论

采用虚拟样机建模方法,以Pro/E-ADAMS-ANSYS为基础平台,建立空间连杆引纬机构系统的样机,对其运动进行直观检验,在此基础上进行运动学以及动力学的仿真分析研究和结构优化．由分析结果可知，运用该研究方法,有助于提高碳纤维的引纬质量．同时,也为改良、设计新型剑杆织机提供了一种参考方法,特别是建立整机的虚拟样机模型,在研究开发针对织造碳纤维材料专用剑杆织机的设计软件，解决实际织造中所出现诸多物理样机无法解决的问题方面具有十分重要的意义．

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编辑、校对：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

陕西省自然科学基金资助项目(2014JM9364);纺织工业联合会科技指导性项目(2016093)

李晶(1962—),女,福建省福州市人,西安工程大学教授,研究方向为机械CAD/CAE/CAM的技术应用.E-mail:ljing62@126.com

唐朝飞,李晶,张利锋,等.基于虚拟样机的引纬机构的结构优化[J].西安工程大学学报，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