基于有限元的手套包装机检测机构分析

杨承鑫 蔡吉飞 房瑞明 杨明旭

摘要：手套漏气检测装置是手套漏气检测设备的核心所在，其稳定性对手套漏气检测精度有着重要的影响。为了降低手套漏气检测装置的变形和振动对手套漏气检测精度的影响，以手套漏气检测装置的支架为研究对象，运用SolidWorks对检测支架进行三维模型绘制且保存为parasolid格式导入到ANSYS Workbench中进行分析，得到检测支架形变量为0.009mm，变形量非常小，对检测精度造成的影响可以由PLC内部程序设置的修正值予以消除。再对检测支架进行模态分析和谐响应分析，得到前六阶固有频率、振型以及振幅与频率的关系，通过对比模态分析与谐响应分析结果，发现三阶固有频率186.43Hz对检测支架影响较大，容易引起共振现象。

关键词：手套漏气检测；振动；模态分析；固有频率

中图分类号：TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2022） 01-0029-05

Analysis of Testing Mechanism of Glove Packaging Machine Based on Finite Element Method

YANG Cheng-xin， CAI Ji-fei， FANG Rui-ming， YANG Ming-xu

（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： Glove air leakage detection device is the core of glove air leakage detection equipment， and its stability has an important impact on glove air leakage detection accuracy. In order to reduce the deformation of glove air leakage detection device and the influence of vibration on glove air leakage detection accuracy， this paper takes the bracket of glove air leakage detection device as the research object， draws the three-dimensional model of the detection bracket by SolidWorks， saves it in parasolid format， and imports it into ANSYS Workbench for analysis. The deformation of the detection bracket is 0.009mm， and the deformation is very small. The influence on detection accuracy can be eliminated by the correction value set by PLC internal program， and then modal analysis and harmonic response analysis are carried out on the detection bracket. The first six natural frequencies， vibration modes and the relationship between amplitude and frequency of the detection bracket are obtained through modal analysis and harmonic response analysis. By comparing the results of modal analysis and harmonic response analysis， it is found that the third natural frequency 186.43Hz has great influence on the detection bracket， which is easy to cause resonance phenomenon.

Key words： glove leakage detection； vibration； modal analysis； natural frequency

2020年初，新型冠狀病毒感染肺炎疫情暴发，随后在全球蔓延。医用手套用于医用检查、诊断和外科手术操作过程中防止病人和使用者之间交叉感染，也可用于处理受污染医疗材料，它成为新冠病毒肺炎疫情防控中的关键防控物资之一，因此保证医用手套的气密性检测精度十分重要[1，2，3]。

手套漏气检测设备的研发成果来源于北京印刷学院蔡吉飞教授团队与北京泽宇星科技有限公司联手合作的“手套漏气检测自动化改造”课题。北京泽宇星科技有限公司研发的半自动手套漏气检测设备的优势在于提高手套漏气检测质量和减轻工厂员工的工作负担。漏气检测装置是整个设备的核心所在，用于检测手套漏气的传感器固定在检测支架上，由于手套漏气检测装置属于高精度量具，检测支架的变形和振动对手套漏气检测精度有非常大的影响，这就需要检测支架具有非常高的稳定性。在工作过程中，检测支架受到与其联接的零件运转所引起的复杂性载荷和振动，倘若引起的振动频率达到了与检测支架本身的固有频率一致或相近时，就会使检测支架产生共振，影响手套漏气检测精度，更严重甚至破坏手套漏气检测设备的稳定性，使整个手套漏气检测设备出现严重的安全隐患。

1 有限元分析前处理

1.1 定义材料属性

以手套漏气检测装置的支架为研究对象，利用SolidWorks三维建模软件对漏气检测装置的检测支架进行建模如图1所示，检测支架包括上横梁、中间方钢、下横梁、检测支架组件1、检测支架组件2、检测支架组件3等六个部分，这些零件材料都是Q235，材料密度7850Kg/m3，弹性模量为2.1E+11Pa，泊松比为0.33。将三维模型保存为parasolid格式导入到 ANSYS Workbench中进行有限元分析。

1.2 网格划分

网格划分是有限元分析前处理阶段中不可或缺更是十分重要的部分，网格质量好坏直接影响着求解精准度。随着网格尺寸的减小，理论上有限元分析结果会逐渐收敛与一个稳定值，但是网格尺寸越小，计算机计算的负担越大，网格尺寸太大又不能保证计算精度[4]。因此，将网格尺寸作为优化目标，网格最大尺寸设置为15mm，最小尺寸设置为3mm，将检测支架最大变形尺寸作为输出参数，得到检测支架的最大变形与网格尺寸的关系图，如图3所示。

从检测支架的最大变形与网格尺寸关系图可以看出整体波动幅度在0.0001mm以内，但是在网格尺寸逐渐减小的过程中，前一段波动较大，在网格尺寸小于5mm之后逐渐趋于平稳，在保证计算精度且在计算机最大计算容量允许范围内，选用尺寸为5.0mm的网格作为网格划分标准，网格划分之后的有限元模型如图2所示，其中节点数为192837个，单元数为110007个。

2 有限元静力学分析

有限元静力学分析的目的主要是查看在外在合力的作用下，机械结构的变形对设备自身造成的影响以及最大应力是否超出材料自身的最大屈服强度。对检测支架施加约束，而且对检测支架添加自身重力和施加相应的作用力，手套漏气检测装置的检测支架在静态下的变形和应力分布情况如图4、5所示。

从检测支架变形云图（图4）可以看出在施加检测支架自身重力和相应作用力条件下，检测支架最大变形量为0.009mm，变形量非常小，对检测精度造成影响可以忽略不计。从检测支架应力云图（图5）可以看出，检测支架最大应力为4.05MPa、远远小于Q235的屈服强度。从有限元静力学分析结果可以得到检测支架的承载能力和刚度都能够满足要求。

3 模态分析

从图6可以看出，手套漏气检测装置检测支架最小固有频率为57.895Hz，最大固有频率为461.81Hz，其中2阶模态当固有频率为145.58Hz时，检测支架变形达到最大为47.385mm，5阶模态当固有频率为308.12Hz时，检测支架变形值最小，变形值为24.408mm。结合表1可以看出当外部的激励频率与检测支架的固有频率接近或相同时，检测支架中部易出现弯曲变形。

4 谐响应分析

谐响应分析是确定一个结构在已知频率的正弦（简谐）载荷作用下结构相应的技术，谐响应分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应，且得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线，从这些曲线上可以找到“峰值”响应，对结构设计、优化及避免产生共振等具有重要意义。

第二部分对检测支架进行了模态分析，为了探究外部的激励使检测支架共振时的变形状况，在其固有频率附近施加激励，使其产生共振，这涉及到动力学分析中的谐响应分析，其动力学微分方程为：

式中m—质量矩阵；c—阻尼矩阵；k—刚度矩阵；？ ？ x—系统中节点的加速度、速度及位移；F（t） sinωt—简谐力。

前文对检测支架进行的模态分析，检测支架在这6阶的固有频率附近都有可能发生共振，所以在50—500Hz之间进行一次扫频分析，取子步为50个。

以上述分析为基础，对检测装置支架进行谐响应分析，得到了在X轴、Y轴和Z轴3个方向上振幅与频率之间的关系曲线图如图7所示。

从图7的谐响应分析频率与振幅关系曲线图可以看出，在X轴方向上，频率在186.43Hz、272.56Hz和308.12处幅值较大，且频率在186.43Hz时达到最大；在Y轴方向上，频率在186.43处幅值最大；在Z轴方向上，频率在186.43Hz和272.56处幅值最大。从这些数据可以看出，X，Y，Z三个方向上的响应最大值都在频率为186.43Hz时达到，为了降低手套漏气检测机检测支架的振动对手套漏气检测精度的影响，要避免该频率附近的外部激励。

5 结论

通过建立手套漏气检测支架模型，先进行静力学分析，在自身重力和相应作用力条件下，检测支架最大变形量为0.009mm、对检测精度造成的影响可以由PLC內部程序设置的修正值予以消除，最大应力为4.05MPa、远远小于Q235的屈服强度。再对其进行模态分析和谐响应分析，得到了检测支架的前6阶模态变形云图（图6）和频率与振幅之间的关系曲线图（图7），发现在186.43Hz附近，检测支架最容易出现共振现象，应尽可能避免该频率附近的外部激励。

参考文献：

[1]邓一志，王金英，郭识君.医用手套国内标准现状及中欧中美标准比对分析[J].中国标准化， 2020-08-05.

[2]李雪，于秀荣，索继江，冯龙，吕丛.医用无菌手套术中破损危险因素分析[J].中华医院感染学杂志， 2020-07-30.

[3]杨承鑫，蔡吉飞，房瑞明.基于ANSYS的手套包装机输送机构电机支架设计分析[J].绿色包装， 2021-06-15.

[4]张夏琦，王金龙，陈辉，苑成东.基ANSYS Workbench的采煤机联接架模态分析及优化[J].煤矿机械， 2021， 04-25.

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[6]吴福光.振动理论[M].北京高等教育出版社， 1987.

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