龍門纏繞/鋪放成型機龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析*

張永軍，王益軒，李明倫，黃新武，劉瑋，開建波

(西安工程大學機電工程學院，陜西西安710048)

摘要：設(shè)計并建立了三種型式的纏繞/鋪放機主結(jié)構(gòu)模型，重點針對一種典型的纏繞/鋪放機的龍門結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計、有限元建模與分析。通過Pro/E建立龍門結(jié)構(gòu)的三維模型，并導入ANSYS Workbench中，利用Workbench的強大功能分析龍門結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)及瞬態(tài)特性，得到龍門結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為9.6277 MPa，前5階固有頻率為11.098 Hz、17.548 Hz、23.404 Hz、55.818 Hz、60.614 Hz，動梁的最大瞬態(tài)等效應(yīng)力為19.261 MPa，驗證了龍門結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，為后續(xù)的研發(fā)設(shè)計提供有用的參考。

關(guān)鍵詞:纏繞/鋪放成型機龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計復合材料諧響應(yīng)分析瞬態(tài)分析

中圖分類號：TS 103.133文獻標識碼：A

基金項目：本文由陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目資助(項目編號：2013JC17)。

作者簡介：張永軍(1988-)，男，安徽省含山人，西安工程大學碩士研究生，研究方向：大型數(shù)控龍門纏繞/鋪放成型機虛擬樣機研究。

收稿日期：2015-04-07

Design and analysis of winding/placement machine’s gantry structure

ZHANG Yongjun, WANG Yixuan, LI Minglun, HUANG Xinwu, LIU Wei, KAI Jianbo

Abstract:Three types of winding/placement machine are designed and modeled in this paper. For the gantry structure of one typical winding/placement machine, detailed design and finite element modeling and analysis are carried out. The gantry structure is modeled by Pro/E software, and then imported to ANSYS Workbench. The ANSYS Workbench is used to analyze static, modal, harmonic and transient properties of gantry structure. It is acquired that the biggest equivalent stress of gantry structure is 9.6277 MPa, the five modal natural frequencies are 11.098 Hz, 17.548 Hz, 23.404 Hz, 55.818 Hz, 60.614 Hz, and the biggest transient equivalent stress of moving beam is 19.216 MPa. These results demonstrate that the gantry structure meets the design requirements, and provides useful reference for further design and research.

Keywords:filament winding/placement machine; design of gantry structure; composites; harmonic analysis; transient analysis

0引言

復合材料具有質(zhì)量輕、強度高、模量高、抗疲勞、耐腐蝕等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、國防等領(lǐng)域。復合材料成型技術(shù)是目前國內(nèi)外研究的核心領(lǐng)域之一，包括噴射成型、纖維纏繞/鋪放成型、模壓成型、拉擠成型等。纖維纏繞/鋪放成型是復合材料成型技術(shù)的典型代表，其具有高效、高質(zhì)量、高可靠性、低成本等特點[1，7]。纏繞/鋪放機結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞對于復合材料成型的精度及相關(guān)性能起到至關(guān)重要的作用。纏繞/鋪放成型機大體上分為臥式和龍門式兩種，臥式的特點是將纏繞/鋪放頭安裝在工作小車上，通過小車的橫向及縱向進給來完成對芯模的纏繞/鋪放；龍門式的特點是將纏繞/鋪放頭安裝在滑枕上，通過滑枕及龍門結(jié)構(gòu)的上下、左右、前后的進給來實現(xiàn)纏繞/鋪放。龍門式由于可實現(xiàn)多自由度運動，因此是纏繞/鋪放成型機研發(fā)設(shè)計的主要參考類型。

1龍門纏繞/鋪放機主結(jié)構(gòu)設(shè)計及三維建模

1.1整機設(shè)計及建模

龍門式纏繞/鋪放機通常是由龍門結(jié)構(gòu)、工作臺、夾持卡盤裝置、滾珠絲杠副、纏繞/鋪放系統(tǒng)等組成。其工作原理是將預(yù)浸漬纖維束或者帶按照龍門結(jié)構(gòu)、纏繞/鋪放頭的進給以及芯模的旋轉(zhuǎn)所形成的路徑纏繞或者鋪放到芯模表面上，然后通過固化、脫模，形成制品。

龍門結(jié)構(gòu)以及纏繞/鋪放頭是龍門式纏繞/鋪放機設(shè)計的重點。纏繞/鋪放頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，因篇幅原因只簡要介紹，主要有纖維束或帶輸送裝置、導向裝置、預(yù)緊裝置、夾緊裝置、剪切裝置、加熱裝置、壓實裝置、纖維束或帶回收裝置以及傳感定位裝置等組成。當纖維束或帶由導向裝置傳送到預(yù)緊裝置后得到一定的預(yù)緊力，然后通過加熱裝置并加熱，最后被纏繞/鋪放到芯模表面上并通過壓實裝置壓緊，當傳感定位裝置探測到芯模的邊界后，將信號傳給夾緊/剪切裝置并在適當?shù)奈恢脤⒗w維束或帶剪斷，這樣一次完整的纏繞/鋪放就形成了；龍門結(jié)構(gòu)在整機當中起到主運動及承載作用。由纏繞/鋪放系統(tǒng)所產(chǎn)生的載荷都將會被傳遞并施加到龍門結(jié)構(gòu)上，同時纏繞/鋪放路徑主要是通過滾珠絲杠副帶動龍門結(jié)構(gòu)作上下、前后、左右運動形成的，細微的調(diào)整是通過纏繞/鋪放系統(tǒng)的驅(qū)動裝置實現(xiàn)的。

本文設(shè)計了3種龍門纏繞/鋪放機的結(jié)構(gòu)(圖1、圖2、圖3)。圖1是一種傳統(tǒng)的龍門式整機；圖2是一種改良的拱型龍門式整機，其在不失自由度的情況下簡化了龍門結(jié)構(gòu)，使龍門結(jié)構(gòu)工作時更可靠穩(wěn)定；圖3是一種橋架龍門式整機，其減小了龍門結(jié)構(gòu)的尺寸，但是將龍門結(jié)構(gòu)安裝到橋架上對整機的可靠性及穩(wěn)定性提出了較高要求。

如圖1所示，整機由伺服電機及滾珠絲杠副驅(qū)動，分別為動梁電機及絲杠副、立柱電機及絲杠副、龍門電機及絲杠副以及芯模驅(qū)動電機。當繞絲嘴將纖維固定到芯模的起始處時，芯模開始旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周龍門電機驅(qū)動龍門結(jié)構(gòu)，使繞絲頭沿著龍門導軌縱向進給一定的寬度，直到將整個芯模纏滿。同時，立柱電機驅(qū)動動梁，從而調(diào)整繞絲頭與芯模之間的距離。

1.工作臺；2.芯模；3.鋪放頭；4.滑枕；5.龍門架；6.滑軌；7.龍門滑座；8.龍門軌道 圖2　拱形龍門鋪放機 [2]

如圖2所示，鋪放頭固定在滑枕上，滑枕安裝在弧形導軌上，驅(qū)動裝置驅(qū)動滑枕沿著導軌運行，即可完成一次鋪放，然后龍門電機驅(qū)動滾珠絲杠副，帶動龍門結(jié)構(gòu)沿著龍門軌道縱向進給一定的寬度，完成第二次鋪放直到將整個芯模鋪滿。同時，鋪放頭可以按照圖示的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，以便實現(xiàn)不同的鋪放路徑。

1.工作臺；2.立柱；3.橫梁；4.鋪放頭；5.滾珠絲杠副；6.滾動支撐座；7.導軌；8.橋架 圖3　橋架龍門鋪放機

如圖3所示，整機實現(xiàn)縱向鋪放，驅(qū)動電機驅(qū)動滾珠絲杠副，使龍門結(jié)構(gòu)沿著導道縱向移動，從而使鋪放頭沿著導軌方向?qū)π灸Ｍ瓿梢淮武伔?，一次鋪放完成之后，橫梁上的驅(qū)動電機驅(qū)動滾珠絲杠副橫向移動一定的寬度，再進行第二次鋪放，直到將整個芯模鋪滿。同時，鋪放頭可沿著滑枕上下移動且垂直于滑枕平面作±45°旋轉(zhuǎn)，這樣可以調(diào)整鋪放頭與芯模之間的距離及弧形曲面的鋪放。

1.2龍門結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計及有限元建模

以圖1為例，分別在Pro/E中建立龍門結(jié)構(gòu)的三維模型，再導入ANSYS Workbench中進行網(wǎng)格劃分并進行靜力學及動力學分析，觀察所設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否符合要求。

對于龍門纏繞/鋪放機，在設(shè)計龍門結(jié)構(gòu)時，最主要的要求是要保證龍門結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性及抗振性。因此，通常對橫梁及立柱添加適當?shù)慕畎?，同時要做好防銹及表面處理并消除焊接及鑄造應(yīng)力[3，8，9，10]。

在Pro/E中分別建立龍門結(jié)構(gòu)的動梁、定梁、立柱及相關(guān)附屬零件模型，再將所建零件模型按照實際約束組裝成裝配體模型，如圖4所示。

三維模型建立好之后，打開ANSYS Workbench，將mesh菜單拖拉至工作界面中，選擇A2欄中的Geometry并單擊右鍵，選擇Import Geometry—Browse命令，這樣就可將所繪制的三維模型導入到DesignModeler幾何建模平臺中。接下來進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的方法很多，通常有自動劃分法、四面體劃分法、六面體主導法、掃掠法、多區(qū)域劃分法；同時還有很多劃分技巧及參數(shù)設(shè)置，這里不再贅述，本文所涉及的網(wǎng)格劃分只將單元尺寸設(shè)置為0.1 m，其余均采用默認，所劃分的網(wǎng)格如圖5所示。

圖4　龍門結(jié)構(gòu)的三維模型　圖5　龍門結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格圖

2龍門結(jié)構(gòu)的靜力學分析

龍門結(jié)構(gòu)是龍門纏繞/鋪放機重要部件之一，在工作過程中，由于受到各種載荷的作用，其結(jié)構(gòu)也會發(fā)生細小的變化。如果變化過大，將會對整機的工作性能產(chǎn)生較大影響，甚至影響到整機的安全性能及使用壽命。因此，分析龍門結(jié)構(gòu)的強度及剛度顯得尤為重要[3，6，8，9，10]。

用ANSYS Workbench做分析時需要對所分析的對象添加材料。本文所分析龍門結(jié)構(gòu)的材料為ZG270-500，其主要參數(shù)：密度7 800 kg/m3；彈性模量為205 GPa；泊松比為0.30。材料添加完之后，對龍門結(jié)構(gòu)施加載荷和約束，由于龍門結(jié)構(gòu)始終作勻速運動，因此在做靜力學分析時將其視為靜止狀態(tài)，將立柱的底端固定，同時將纏繞/鋪放系統(tǒng)對動梁的壓力F=5 000 N添加到梁的中間位置，最后進行求解，得到龍門結(jié)構(gòu)的強度和剛度結(jié)果。如圖6、圖7所示。

圖6　龍門結(jié)構(gòu)的變形云圖　圖7　龍門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

ZG270-500的屈服強度為270 MPa，由圖7可知，龍門結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為9.6277 MPa，遠低于屈服強度，因此，滿足設(shè)計要求。最大變形量為0.206 42 mm，符合實際要求。

3龍門結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

用ANSYS Workbench對一個產(chǎn)品進行模態(tài)分析的目的是求出其固有頻率，最終使所設(shè)計的產(chǎn)品在外力作用下所產(chǎn)生的外激振力的頻率避開固有頻率，以免產(chǎn)生共振。將龍門結(jié)構(gòu)兩個立柱的底端全固定，整個結(jié)構(gòu)不需要添加任何載荷，通過模態(tài)分析，得出龍門結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，表1列出了龍門結(jié)構(gòu)的前20階固有頻率，圖8和圖9分別給出了第5階和第10階固有頻率的振型圖。

表1

龍門結(jié)構(gòu)前20階固有頻率

圖8　龍門結(jié)構(gòu)第5階振型圖圖9　龍門結(jié)構(gòu)第10階振型圖

由振型圖可以看到，立柱的變形量最小，橫梁的變形量最大。在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)的固有頻率避開外激振力頻率，如果要提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以通過修改結(jié)構(gòu)的內(nèi)部布局，如添加筋板之類[3，6，8，9，10]。

4龍門結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按簡諧規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，分析過程中只計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，不考慮激振開始時的瞬態(tài)振動，諧響應(yīng)分析的目的在于計算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)值對頻率的曲線，從而使設(shè)計人員能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)性動力特性，驗證設(shè)計是否能克服共振、疲勞以及其他受迫振動引起的有害效果[3-4]。

首先，求出龍門結(jié)構(gòu)的前20階頻率，其最大自振頻率為214.41 Hz，根據(jù)實際情況設(shè)定諧響應(yīng)最大頻段140 Hz；其次，在動梁的中間位置輸入y方向的載荷3 000 N，輸入相位角0°；最后將立柱的兩個底端固定并求解。圖10(a，b)、圖11(a，b)分別為y方向變形頻率響應(yīng)及其對應(yīng)的相位角、應(yīng)力頻率響應(yīng)及其對應(yīng)的相位角[8-10]。

圖10

圖11

由變形頻率響應(yīng)和應(yīng)力頻率響應(yīng)可知，在頻率11 Hz、55 Hz、60 Hz、80 Hz、100 Hz、117 Hz、127 Hz、137 Hz附近處出現(xiàn)了峰值，說明整個龍門結(jié)構(gòu)在該處產(chǎn)生了共振且應(yīng)力值最大，因此，外激勵頻率一定要避開這些頻率。

5龍門結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)分析

瞬態(tài)動力學分析的目的是確定結(jié)構(gòu)在受到任意隨時間變化的載荷的作用下系統(tǒng)的響應(yīng)。在某些情況下，盡管結(jié)構(gòu)所受到的瞬態(tài)激勵時間很短，但振動幅度卻很大，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生短時間的過應(yīng)力現(xiàn)象，有較大的破壞力，因此對這類瞬態(tài)振動的分析十分必要[5]。

圖12　動梁結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格圖

本文著重對龍門結(jié)構(gòu)的動梁進行瞬態(tài)分析，選擇ANSYS Workbench中的Transient Structural模塊，將立柱和定梁都設(shè)為剛體，其網(wǎng)格劃分如圖12所示，添加動梁與導軌的摩擦接觸副(摩擦系數(shù)設(shè)為0.2)、動梁與導軌的移動副以及立柱底端的固定約束副，給動梁與導軌所產(chǎn)生的兩個移動副分別設(shè)定一個瞬態(tài)速度0.1 m/s，持續(xù)時間設(shè)為1s，分析求解得到1s內(nèi)動梁的等效應(yīng)力及加速度隨時間的變化曲線圖以及在最大值所對應(yīng)的時間點動梁的等效應(yīng)力及加速度變化云圖。如圖13-圖16。

由圖13可知，動梁在0.01 s時的等效應(yīng)力值最大且由圖14可知，最大應(yīng)力值集中在動梁與導軌的接觸附近，因此要觀察其最大應(yīng)力不能超過材料的屈服應(yīng)力。由圖14可知，動梁的瞬間最大等效應(yīng)力為19.261 MPa，遠低于梁的屈服強度270 MPa，因此，滿足設(shè)計要求。

6結(jié)束語

通過龍門結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析可知，龍門結(jié)構(gòu)最大靜力變形0.206 42 mm、最大等效應(yīng)力9.627 7 MPa，滿足設(shè)計要求；通過模態(tài)及諧響應(yīng)分析可知，龍門結(jié)構(gòu)在其固有頻率處產(chǎn)生了峰值，因此龍門結(jié)構(gòu)在工作時要避開其固有頻率，以免產(chǎn)生共振；由瞬態(tài)分析可知，龍門結(jié)構(gòu)在工作過程中難免會發(fā)生瞬態(tài)沖擊，瞬態(tài)激勵過大往往會破壞結(jié)構(gòu)的性能，文中分析了動梁的瞬態(tài)特性，得到其最大瞬態(tài)等效應(yīng)力為19.261 MPa，滿足設(shè)計要求。

本文利用ANSYS Workbench對龍門纏繞/鋪放機的龍門結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)、瞬態(tài)進行了分析，為龍門纏繞/鋪放機的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供了支撐，同時也為同類產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供參考。

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王益軒(1957-)，男，陜西省乾縣人，西安工程大學教授，碩士研究生導師，主要從事新型織機的系列化、標準化CAD/CAE/CAM系統(tǒng)研究；大型數(shù)控龍門銑床的虛擬樣機研究；大型汽輪發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的虛擬樣機研究等。