張曉春

（銅陵職業(yè)技術學院機械工程系，安徽 銅陵244000）

基于ADAMS的包裝機橫封傳動機構剛柔耦合分析

張曉春

（銅陵職業(yè)技術學院機械工程系，安徽 銅陵244000）

橫封傳動機構是自動包裝機的重要部件，它的性能對包裝質量影響較大。本文通過建立V FP500型包裝機橫封機構的力學模型，然后基于H Y PERM ESH、A N SY S和A D A M S對各傳動件進行剛柔耦合分析，驗證傳動件強度在封裝的過程中是否滿足要求，根據(jù)分析的結果為進一步優(yōu)化提供參考。

自動包裝機；橫封機構；力學模型；剛柔耦合

一、引言

自動包裝機是指應用機器實現(xiàn)產品的全部或者部分包裝的機器，這些包裝過程可能涵蓋自動稱重與計量、填充材料、制造包裝袋、封裝合攏、切斷、運輸、打印產品的批號、增加拆封切口、無料示警等全部或部分過程[1]。

橫封機構主要作用是對包裝材料進行橫向封口及將相連的包裝材料橫向切斷，在包裝設備中，橫向封口是至關重要的，橫向封口質量的好壞將影響被包裝商品的存儲時間、包裝美觀度及流通方式。所以說橫向封口的傳動機構是設計者設計時考慮的重要部件，筆者通過對橫封機構傳動件進行剛柔耦合分析，掌握其力學性能，并對設計參數(shù)進行優(yōu)化，提高機器部件的工作性能[2]。

二、建立橫封機構力學模型

首先要建立橫封機構的有限元模型，并進行CB模態(tài)計算，然后將模態(tài)計算結果保存為模態(tài)中性文件MNF，為下一步導入專業(yè)分析軟件作準備[3]。

橫封機構的主要功能是實現(xiàn)橫向封裝與切斷，其構成部件包括長拉桿、短拉桿、驅動臂、驅動軸、搖臂等，結合HYPERMESH于ANSYS的優(yōu)點，在進行剛柔耦合時選擇在HYPERMESH中進行前處理，生成.cdb文件，然后將.cdb文件導入到ANSYS中，利用ANSYS與ADAMS之間能夠直接進行數(shù)據(jù)交換接口，可以直接從ANSYS中生成ADAMS需要的MNF文件[4]。

部分零件的有限元模型數(shù)據(jù)如下：轉軸：節(jié)點（NODES）=35613，單元（ELEMS）=31618；活塞桿：節(jié)點（NODES）=27617，單元（ELEMS）=23942；短拉桿：節(jié)點（NODES）=6594，單元（ELEMS）=23254；驅動臂：節(jié)點（NODES）=16554，單元（ELEMS）=13307；

圖2.1 轉軸有限元模型

圖2.2 活塞桿有限元模型

圖2.3 短拉桿有限元模型

圖2.4 驅動臂有限元模型

在HYPERMESH軟件中將零部件離散成若干細小的網(wǎng)格后，就需要設置材料、密度、彈性模型、泊松比等，然后再導出到ANSYS中求解輸出MNF文件。將柔性體全部替換之后，剛柔耦合模型性如圖2.5所示，其中白色為柔性體。

圖2.5 剛柔耦合模型

三、剛柔耦合仿真分析

（一）整個部件的耦合分析

圖3.1 變形云圖

圖3.2 柔性體變形云圖

剛柔耦合模型檢查完成后，確定不存在冗余約束的前提下運行仿真，將仿真時間設置為4s，步長為0.01步，在仿真的過程中，柔性體會顯示變形云圖，仿真結束之后，保存仿真的結果文件為Last Run進入后處理，將插件Durability，然后調取結果文件動畫，在動畫窗口中選擇變形顯（Deformation），即可看到變形云圖。

切換顯示方式為應力云圖（Von Mises stress)，查看應力分布結果如圖3.3所示：可以觀察到Von Mises Stress（米塞斯等效應力）最大值為100.33 MPa，最?。兹沟刃Γ?.85e-9MPa，接近為 0。

圖3.3 橫封機構最大應力云圖

（二）單個零件的耦合分析

具體查看驅動臂、活塞桿、轉軸、長拉桿、與短拉桿的應力變化，選擇插件Durability下拉菜單中的Hot Spots table，具體操作如下：在Flex Body中選擇changlagan1柔性體，在Analysis中選擇仿真結果文件Last Run，點擊report即可，就會生成柔性體上各熱點（即米塞斯等效應力最大值點，也稱最危險點）的應力。

（三）長拉桿剛柔耦合分析（案例）

為了得到某個柔性體上的熱點應力變化曲線，在Hot Spots table中選擇一個節(jié)點，對于長拉桿柔性體上的19186號熱點的應力變化曲線，在Analysis中選擇仿真結果文件Last Run，接著選擇 Flexible Body為 changlagan1，在 Select Node List輸入19186，在Stress下選擇Von Mises，點擊OK即可生成。以下是柔性體長拉桿1在橫封機構運動過程中的熱點應力表以及最大應力熱點曲線圖：

圖3.4 柔體長拉桿1熱點米塞斯等效應力表

圖3.5 熱點19186米塞斯等效應力曲線圖

橫封機構在工作的過程中柔性體長拉桿1變形在時時變化，圖3.4為柔性體長拉桿1熱點應力表，表中各節(jié)點應力按照從大到小排列，取應力最大熱點19186繪制熱點應力曲線圖，從圖3.5中可以得出，橫封機構在不同時刻熱點19186的應力會發(fā)生變化，在機構運動過程中柔性體長拉桿1會受到最大應力達到9.46MPa左右，在瞬間沖擊力與重力的作用，封裝過程中會引起長拉桿1柔性體發(fā)生抖動，由于阻尼作用消耗系統(tǒng)能量，柔性長拉桿1并沒有保持等幅振動，而是作振幅不斷衰減的衰減振動，由于驅動加在活塞桿上，所以直到活塞桿上升到最大值停止運動，此時應力降到最?。换钊麠U下降的過程同上升過程應力變化類似。當一個工作過程完成后，橫封機構處于靜止狀態(tài)，此時系統(tǒng)所受的應力很小并處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（四）耦合結果分析

從各柔性體變形云圖和各柔性體熱點應力表格和表格中熱點所對應的應力曲線可以得到一些結論，當橫封機構開始啟動時，各柔性體從靜止開始加速運動，柔性體在瞬間沖擊力與重力的作用，會引起柔性體發(fā)生抖動，由于阻尼作用消耗系統(tǒng)能量，柔性體不會保持等幅振動，而是作振幅不斷衰減的衰減振動，由于驅動加在活塞桿上，所以直到活塞桿上升到最大值停止運動，此時應力降到最??；活塞桿下降的過程同上升過程應力變化類似。當工作過程完成后，橫封機構處于靜止狀態(tài)，此時系統(tǒng)所受的沖擊力很小并處于穩(wěn)定狀態(tài)。在柔性體驅動臂、活塞桿、轉軸、長拉桿和短拉桿的應力圖表中，柔性體長拉桿1所受的最大應力為9.46MPa，柔性體長拉桿2所受的最大應力為5.58MPa，柔性體短拉桿1所受到的最大應力為6.14MPa，柔性體短拉桿2所受到的最大應力為24.57MPa，柔性體活塞桿所受到的最大應力為44.73MPa，柔性體驅動臂所受到的最大應力為35.0046MPa，其中柔性體轉軸所受到的應力最大，最大應力為100.334MPa，最大應力熱點的具體位置出現(xiàn)在節(jié)點56358處和對稱的56357處，這兩點位于轉軸和擺桿鉸接點附近。

四、結論

對于材料為普通碳鋼的轉軸來說，鋼的屈服強度為220.59MPa[5]，根據(jù)最大應力來比較，轉軸所受的最大應力遠遠小于普通碳鋼的許用應力，因此，橫封機構在作業(yè)的過程中能夠長時間安全運行。通過剛柔耦合分析，可以為橫封機構的設計改進提供了理論依據(jù)，同時為合理解決同類共性問題提供了具有參考價值的分析方法。

[1]楊祖彬，曾莉紅.基于食品安全的我國食品包裝機械技術發(fā)展路徑探討[J].中國食品學報，2013，（04）：117-124.

[2]賀兵.基于虛擬樣機技術的包裝機械系統(tǒng)仿真研究[J].包裝工程,2008，（02）：47-49.

[3]張玉華.機械系統(tǒng)設計建模與仿真[M].馬鞍山：安徽工業(yè)大學出版社，2010.

[4]付亞蘭，謝素明.基于HYPERMESH的結構有限元建模技術[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[5]賀李平，龍凱，肖介平.ANSYS13.0與Hypermesh11.0聯(lián)合仿真有限元分析[M].北京：機械工程出版社，2012.

TH132

A

1671－5993（2017）03－0059－03

2017-05-01

2016年安徽高校自然科學重點研究項目“MPPT獨立式光伏系統(tǒng)優(yōu)化研究”（KJ2016A714）。

張曉春（1982-），男，安徽金寨人，銅陵職業(yè)技術學院講師，碩士，主要研究方向：精密儀器與機械。