有限元分析在纺纱领域的应用研究进展

孟亚勇，曹继鹏，韩贤国，张明光

(1.中原工学院 纺织服装产业研究院，河南 郑州 450000；2.辽东学院 服装与纺织学院，辽宁 丹东 118003；3.辽东学院 化工与机械学院，辽宁 丹东 118003)

有限元法始于1943年提出，并于20世纪60年代在工程界得到广泛的运用。有限元的主要思想是将一个连续的问题按照某种方法拆分成一系列小的单元，通过对小单元进行网格划分，进而求出整体的结果。常见的有限元软件有ANSYS、Abaqus、Patran/Nastran、Hypermesh等。有限元法广泛应用于工程领域，如工程机械结构力学分析、柔性材料分析、气流场分析、电场及复合场分析、地震模拟分析等。

本文详细梳理了国内外有限元分析技术在纺纱设备及纺纱过程中的应用现状以及技术瓶颈，以期将有限元分析软件更好地应用于工程实际问题，为提升纺纱设备的性能、优选工艺提供有价值的参考。

1 有限元法在纺纱机件变形中的应用

1.1 开清设备

纺纱设备在生产过程中会产生剧烈的震动，部分机件因而会产生一定量的变形，给工艺控制和生产带来一定的影响。郭斌杰曾对清花辊筒做了研究，通过对清花辊筒进行有限元静力分析，依据辊筒离心机、辊筒质量、制造工时以及电动机功率确定了最优方案，同时证明了该辊筒结构的合理及安全性。

1.2 梳理设备

王永岩等利用PRO/E软件对梳棉机机架做了三维模型，并应用ANSYS软件进行分析，得到了梳棉机机架优化前后的等效应力云图，优化后的机架增大了其固有频率，总变形及等效应力都减小，提升了机架的强度和刚度，保证了设备的稳定性。

张鹏程也曾用有限元分析软件ANSYS Workbench分析梳棉机机架在静载及承受载荷情况下的强度、刚度及动态变形情况，梳棉机机架等效变形图见图1。由左侧色柱代表的变形程度可知，通过对新型树脂混凝土材料与铸铁机架材料相比较，采用树脂混凝土机架的固有频率明显优于铸铁机架，在静态性能上，由于铸铁的弹性模量较高，树脂混凝土机架的刚度比铸铁机架要小一些，但不会影响机架的总体设计要求。研究得出，在外形尺寸相同的条件下，机架结构设计合理时，在静动力性能方面树脂混凝土机架优于铸铁机架。田成成对锡林的结构、受力载荷及材料等做过仿真优化分析，得出锡林机构在不同状态下的应力及最大变形的分布情况，验证了对锡林机构进行动平衡的必要性，得出锡林直径在1 000 mm左右时对纤维的梳理是有益的，同时提出钢纤维树脂混凝土材料为锡林辊筒的优化材料。对于与锡林配合梳理的盖板来说，如何提高梳棉机回转盖板的寿命也关系到梳棉机的梳理效率，吴洋用ANSYS Workbench对其进行研究，通过分析应力云图及交变载荷作用下回转盖板的疲劳累积损伤系数及安全系数，验证了盖板设计的合理性。针对梳棉机道夫，雷菊珍通过道夫系统的多刚体运动仿真，得出随着道夫转速的提高，圆筒变形几乎呈线性上升，并建议道夫采用较低的速度工作。

图1 梳棉机机架等效变形图Fig.1 Equivalent deformation diagram of card frame

有学者在CAE有限元模型基础上对精梳机支撑机构系统利用ANSYS软件进行研究，在不改变系统材料属性的前提下，通过改变系统结构的方式来提高系统刚度，在系统刚度提高的同时，系统质量也随之增加。在棉纺工艺过程中，钳板机构的作用是利用上下钳板口钳持棉纤维丛，在锡林梳理时，防止可纺长纤维被锡林抓走，再将梳理后的新棉纤维丛送向分离罗拉钳口与下一段棉纤维丛搭接，所以钳板工作的好坏对精梳机的梳理效果有很大的影响。梁灼对精梳机钳板动力学进行研究，通过对铬合金、铝合金及钛合金材料的下钳板进行过应力模拟，得到了响应的钳板应力云图，见图2。由图中左侧色柱代表的应力大小可知，下钳板为上述3种材料时，下钳板工作时最大应力远小于其许用应力，因此由高速精梳机的下钳板应力集中而产生的破坏比较小，且3种材料钛合金形变量最小，采用钛合金下钳板可以改善钳板对纤维横向的握持均匀性，减少可纺纤维的损失，提高梳理质量。

图2 上钳板3种合金材料应力云图Fig.2 Stress cloud diagram of three alloy materials on clamp plate.(a) Chromium alloy;(b) Aluminium alloy;(c) Titanium alloy

1.3 并条设备

贾成举对并条机的喂入检测装置进行筒式结构和框式结构的有限元分析，通过摆臂力学建模，发现筒式结构和框式结构变形较大的地方都集中在2处，即弹簧力作用区域和凸罗拉加载区域，且筒式结构最大变形集中在弹簧力作用区，框式结构最大变形集中在凸罗拉加载处。从位移分析结构方面看，框式结构变形均匀，相比筒式结构有一定优势。圈条盘是并条机上的一个重要构件，陈功等利用Pro/E对圈条机的圈条盘进行三维建模，并用ANSYS软件进行了有限元模态分析，得出前6阶固有频率及振型，前3阶圈条盘的频率范围为180～800 Hz，后3阶频率范围为900～1 300 Hz，为圈条盘的进一步优化设计提供了理论依据。

1.4 粗细纱设备及配套器材和机件

锭翼是粗纱机加捻机构的关键部件，俞焕祥等利用有限元SAP84模块计算了国内常见的钢锭翼动态扩张量，得到了各种锭翼动态性能的相关数据，为锭翼结构设计及优化提供了理论依据。钟辉等也曾对锭翼扩张量做过分析，其采用I-DEAS软件得出的计算数值和实测值误差在10%左右，理论上节点数越多，计算值越精确，误差估计越接近实际情况。

有学者曾对细纱机边界条件设置使用有限元分析技术，并且利用模态测试技术对机架进行有限元模型分析，通过改变机架系统边界条件，利用有限元计算固有频率并与实验结果对比分析，得出其精度提高40%。张焱焱利用ANSYS进行模态分析确定了细纱机的固有频率和相应的振型，为细纱机机架设计及优化提供了理论依据，同时也为系统的动态优化设计打下了基础。对于细纱机而言，牵伸机构是细纱机的灵魂构件。有学者对细纱机的上下皮圈做过有限元分析，采用正确的橡胶材料做超弹性模型，在不同工作状态下，对上下皮圈的摩擦接触问题进行了分析，得到双皮圈牵伸机构具有较强的中部摩擦力界分布，在运行过程中容易出现吊皮圈现象，从而导致上下皮圈接触为零，甚至皮圈打折。通过计算，若加大张力棒的拉力，减小下销和下皮带间的摩擦因数，可以减小甚至消除吊皮圈现象。也有学者对细纱机双皮圈做过静态正压力分析，得到了细纱机双皮圈静态正压力分布情况，其分析结果和实际测量结果几乎一致，这为分析和改进牵伸机构提供了理论依据。

自动落纱可有效提升纺纱效率。于祥通过SolidWork建立了落纱机的微型升降装置模型，在Adams中进行了动力学仿真，为丝杠选择提供了参考依据，并制作出了一种微型升降机构，通过丝杠顺时针或逆时针转动来实现落纱机的上升与下降，其升降竖直方向最大行程为180 mm，还可以实现丝杠自锁，从而满足工作要求。关于落纱机的使用方法，巩健通过优化后的自动落纱机进行仿真分析，提出一种新型的集拔管、插管于一体的自动落纱机，其适用于锭距为70 mm的细纱机，1次拔取3个满纱管，时间周期为3 s，可对不同气缸进行选型，得到主气缸所需气压及送进气所需的气压。郑杰等设计了一种粗纱机集体自动落纱装置，对落纱机架进行了模态和谐响应分析，并对托板进行优化，提高了落纱机架一阶和二阶固有频率的25.4%和37.4%，从而提高了机架的稳定性。落纱机械手是落纱的关键部位，张凡等提出了一种仿生性机械手的设计方法，其根据人体手指抓取的姿态，建立了机械手的指节模型，通过有限元软件仿真对比，验证了该机械手可以平稳实现30～80 mm多尺寸的自动落纱。

纺纱过程中，纱线张力控制也十分重要，张磊磊等曾对纱线张力传感器的弹性体做过有限元建模分析，通过改变原弹性体结构的质量分布，提高了弹性体的固有频率，增强了纱线张力传感器的工作稳定性。也有学者对纱线张力传感器的弹簧片进行过有限元模态分析，通过改变弹簧片的质量分布，使弹簧片的一阶固有频率从890 Hz提高到了1 345 Hz，避免了纱线张力传感器和纱线产生共振，提高了纱线张力的稳定性。

2 有限元法在纺纱过程中的应用分析

2.1 流场分析

杨蕾通过运用Fluent软件对梳棉机后上滤尘管道进行模拟，分析了流场内速度及压力的分布特点，得出后上滤尘吸塑管道从入口到出口压力负压急剧下降，在滤尘吸塑管的拐角处负压减小更严重，不能有效吸除纤维内的短绒，影响了生条质量。研究得出，结构设计角度应该避免滤尘吸管大幅度弯曲，从而保证管道气流的均匀流畅；通过对不同负压的模拟分析，得到了相关总风机的负压的参考值，为滤尘管道在实际应用中恰当选择风机类别提供了理论依据。

近几十年来，利用气流的作用产生一些新的纺纱方法，例如转杯纺、喷气纺、集聚纺等。气流在纺织企业的辅助设备和纺织测试仪器中也有广泛的应用，像织物透气仪、空气解捻器等，此外，在纤维的分离、输送及纱线的接头等方面也都离不开气流的作用。CFD是ANSYS中针对流体分析的模块之一，通过对流场几何模型的建立及对流场模型进行网格划分，进而对流场进行分析。邱玥利用ANSYS中的流体力学软件对棉流通道进行了气固两相流体分析，得出了棉块在棉流通道内随气流的运动情况及打手室内部的气流变化情况，为清棉机气流通道的改进提出了合理的建议。Kong等也研究了梳棉通道中棉块的运动情况，得到了棉块在流场中的影响因素。Kong等对转杯纺中纤维输送管道的气流场进行了数值模拟，得出了转杯纺内部气流结构通道的任何变化都会对输送管道气流的流动性产生很大的影响。林惠婷通过对转杯中气流模拟发现，转杯直径增大时，转杯内气流漩涡减少，气流速度随着转杯滑移角的减小而增大，研究得出采用长通道小角度的输纤通道有利于纤维的转移。关于转杯复合纺纱气流分析的研究可通过建立转杯复合纺纱通道几何模型，采用Fluent软件对三维流场分析，探究转杯直径、凝聚槽型号及转杯速度对气流的影响。也可通过参数化建模、程序开发、优化设计及有限元仿真的方法，实现自排风式转杯关键性能参数的动态优化，为转杯纺转杯的结构优化和减振降噪提供了技术思路。

曾泳春等以喷气纺喷嘴为研究对象对喷嘴中的二维气流场进行了数值计算，描述了喷嘴内气流的流动特性，同时分析了各参数对其内部气流流动特性与成纱性能的影响。刘晓艳针对集聚纺纱，采用有限元流场分析的方法，得出集聚区须条的左右边界线气流分布规律，为进一步提高纺纱质量提供了理论依据。钱成使用ANSYS对集聚纺系统和全聚纺系统的流场进行了数值计算，得出二者静压分布均呈“U”型分布。但二者气流速度分布有很大差异，特别是纤维横向聚集方向的气流差异最大。在涡流纺方面，张超通过涡流场CFD软件进行了气流动态模拟，得到了进风口数和纤维环稳定的关系以及进风口长度和流量流速的关系。张勇对喷气涡流纺内部流场进行了3种不同工况的模拟，得到了喷孔角度对径向、切向及轴向速度的影响关系；还通过4种喷嘴对比实验，得到了喷嘴单因子纺天丝纱的最优参数。有关喷气涡流纺气流与单纱强度之间的关系，有学者进行过研究，结果表明，喷气涡流纺单纱断裂强度和喷孔角度基本符合正弦函数关系，与锥面体锥角的正切值呈负线性关系。

络筒工序是毛羽增加最严重的地方，郎军等对其做过实验分析，研究表明，纱线经过络筒工序后，毛羽增加了50%～150%，甚至多达250%。适当的毛羽对织物的保暖有良好的作用，但如果毛羽过多，将不利于生产，且容易造成织物产生条影、云斑及纬档等。有学者采用有限元分析技术对减少毛羽装置进行了分析，针对络筒机上的减羽喷嘴采用ANSYS中的FLOTARN CFD功能模拟了气流运动状态，结果表明气流在减羽喷嘴内是以涡流状运动，与高速摄像机捕捉到的结果是相符的。纱线经过涡流作用后，毛羽有了明显的减小。

2.2 静电场及磁场分析

利用有限元方法来进行静电场的计算，很早就有记载。肖震东等用有限元法来求解静电纺纱中的电场分布情况，但由于当时计算机条件所限且缺少功能强大的有限元分析软件，使得计算繁琐的同时精度也相对较差。曹继鹏等通过在梳棉机罩板处加装静电型棉网清洁器，以提升梳理质量，并采用有限元分析法分析了锡林与静电板之间的静电场，得出了不同纤维介电常数、不同隔距和电压下，纤维在静电场中的受力情况，为合理选择静电型棉网清洁器的有关工艺参数提供了理论依据。

刘青松等利用ANSYS对磁力驱动锭子进行了仿真模拟，从磁场强度、转数等参数方面对锭子的磁力驱动做了分析，提高了磁力分布计算的精度，为磁力驱动锭子的设计改进提供了优化理论依据。在转杯纺驱动系统方面，温晓阳设计了一款外转子无齿槽高速永磁直流电动机，从电耗和温升角度确定了电磁负荷的最佳值，通过Maxweell电磁场分析软件仿真，验证了电动机设计方案的可行性。

2.3 纤维与器材之间受力分析

由于纤维柔性体的特殊性，在纺纱过程中与器材之间的作用力情况对纱线质量有着重要的影响。He Shanshan等通过对刺辊针布针齿不同的倾斜角(0°、1°和2°)应用ANSYS软件进行仿真分析得出，随着刺辊针齿与纤维梳理方向倾斜角的增大，针齿对纤维之间的摩擦力和压力都显著增加，更易对纤维造成损伤。其根据仿真分析结果设计制造出一种新型无倾斜角刺辊针布，经过实验比较发现，该新型针布使生条棉结量降低了24.41%，纤维产量提高了8.4%。刘娜等通过对环锭纺和赛络纺的加捻三角区进行有限元分析得出，当环锭纺锭速及捻系数增加且纱支减小时，纤维张力变大，且纤维转移量增大。对于赛络纺而言，随着捻系数增大，右侧初步加捻三角区纤维张力变大；随着锭速增加，左侧初步加捻三角区纤维张力增大，且它们的成纱三角区纤维变形沿中心轴对称分布。纤维变形与加捻三角区的形状有密切关系，与环锭纺相比，赛络纺加捻三角区内纤维变形明显减小，且纤维变形一致性好，对纱线的毛羽和强力有着重要影响。

3 研究不足和展望

以往在纺纱领域，有限元分析大都应用在设备变形受力、机架材料及形状优化、流场的模拟处理以及少量的电场磁场的耦合分析，或是探讨分梳过程中纤维与器材之间的受力情况。在纺纱过程中纤维的分离、梳理及转移等一些不可视化方面的应用分析还有待于深入研究，以便对梳理过程及有关针布器材的选用提供有效的指导建议。此外，由于在有限元分析过程中纤维运动剧烈，动网格划分频繁，计算耗时较长，使部分有限元分析结果与实践应用还存在一定距离。因此，从纺纱系统的整体性考虑，还需要在有限元分析过程加载更多的因素。为使分析结果更加接近生产实际，以下4方面还有待于进一步探讨和改进。

①纤维模型的科学建立。由于纤维材料的特殊性，针对纤维的建模还有待于深入研究，以使模型更加接近生产实际；大多数应用还没有考虑纺纱原料的差异化问题，比如常见纤维的泊松比、弹性模量等能表征纤维特性的数据，对纤维模型的材料设置和真实纤维的性能还有较大差异，对工艺改进优化的指导还有一定的局限性。

②机械变形的有效验证。通过有限元仿真分析，得出纺纱过程中机件的受力变形，缺少针对变形与纺纱质量关系的深入分析，以及加工制造优化后产品的具体应用和验证方面的研究。

③气流分析与实际的差异。对气流分析时，由于纺纱过程中多数以气流和纤维的混合体形式存在，气流中运动的实际纤维束大小存在随机分布的问题，通常软件中的气体是理想状态下的，和真实气流有一定的差异，分析结果对生产实践指导尚需进行有效的修正与验证。

④纤维集合体内部受力分析。纤维集合体在梳理过程中，与梳理和纺纱器材进行接触，受到挤压、梳理、牵伸和加捻等作用力，其内部纤维之间的相互作用力一直在变化，影响着纤维的分梳、转移和运动，随着有限元软件的开发及相应功能的齐全，有望在此方面实现新的突破。

4 结束语

有限元分析在纺纱领域有着较为广泛的应用，有限元分析技术可以使纺纱设备和机件的细微变形得以量化，纺纱过程中的气流、静电场及磁场以及纤维与器材之间的受力等不可视状态得到可视化仿真分析，为进一步提高纺纱设备设计的合理性、更好地优化工艺设计等方面提供了理论依据，有利于提升纺纱设备效能和纺纱质量。此外，有限元分析在一些方面还存在不足和局限性，与生产实际尚存在一定的差距。随着有限元分析技术的逐步完善，通过加载更多的影响因素，会使分析结果更具科学性，更接近真实性，以更好地指导纺纱生产实践。