鄒文斌，黃 鴻，高秀忠，陳 兵，楊永泰

（1.中國科學(xué)院海西研究院泉州裝備制造研究所，福建 泉州 362216；2.福建潯興拉鏈科技股份有限公司，福建 泉州 362246）

拉鏈又稱拉鎖，是一種通過連續(xù)排列的鏈牙，使物品并合或分離的連接件。拉鏈由于構(gòu)造簡單、制造方便而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1-3]，如：紡織鞋服領(lǐng)域的金屬與尼龍拉鏈、航空航天領(lǐng)域的氣密拉鏈、醫(yī)療領(lǐng)域的快速縫合拉鏈和深海探測領(lǐng)域中的防水拉鏈等。一般來說，拉鏈有兩個(gè)最重要的性能指標(biāo)：平拉強(qiáng)力與拉合輕滑度。平拉強(qiáng)力是指拉鏈在閉合互鎖狀態(tài)下抵抗橫向作用力的能力；拉合輕滑度是指拉鏈在拉合過程中拉合的順暢度。通常而言，拉合過程中，拉頭上的阻力越小，拉合輕滑度就越高，拉鏈操作也越順暢。隨著服裝輔料整體力學(xué)性能、拉鏈成型加工工藝以及縫合技術(shù)的提升，拉鏈的平拉強(qiáng)力基本上能滿足使用要求，但拉合輕滑度的一致性卻差很多[4]。因此，拉合輕滑度的提高對拉鏈整體性能的提升至關(guān)重要，也是拉鏈設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。雖然拉鏈工作原理簡單，但尺寸較小（一般為3～10mm），拉頭與鏈牙的曲面造型復(fù)雜，拉合過程中拉頭與鏈牙、鏈牙與鏈牙之間存在著十分復(fù)雜的接觸關(guān)系，這都給提高拉鏈輕滑度帶來了很大的困難。目前國內(nèi)外對拉鏈性能的研究主要以經(jīng)驗(yàn)為主、試驗(yàn)為輔，采用數(shù)值模擬方法對拉鏈性能進(jìn)行定量分析的很少。孫一鵬[5]基于Deform 有限元分析軟件對拉鏈鏈牙的毛坯生產(chǎn)工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用模擬結(jié)果對軋輥孔型進(jìn)行了優(yōu)化。蔡益[6]采用LBP算法對拉鏈布邊的缺陷進(jìn)行了檢查，具體實(shí)施過程是首先通過LBP 算法提取了布邊的紋理特征，然后由BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和SVM 模型來檢測缺陷。吳建中等[7]針對拉鏈鏈牙的毛刺、銳邊和尖端對服裝和皮膚劃傷與損壞的潛在風(fēng)險(xiǎn)，制定了一套測試及評價(jià)的方法，并研制了相應(yīng)的拉鏈摩擦試驗(yàn)機(jī)。姚俊峰等[8]開發(fā)了一套拉鏈三維模具仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能很好地模擬出拉鏈鏈牙的成型過程，并給出是否存在裝配干涉現(xiàn)象，極大地縮短了拉鏈新產(chǎn)品的研發(fā)周期。程誠等[9]利用一個(gè)CCD 相機(jī)建立了一種基于復(fù)合成像光路技術(shù)的拉鏈在線視覺檢測系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)人工檢測以提高拉鏈尺寸檢測的準(zhǔn)確性和高效性。盡管拉鏈的成型工藝、缺陷檢測等方面已經(jīng)有了相關(guān)研究，但是通過數(shù)值模擬方法對拉鏈輕滑度進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究鮮有見到。

數(shù)值模擬方法是通過純數(shù)學(xué)模型和方程來模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的方法，能大大地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期和提升產(chǎn)品的性能，在航空航天、汽車、土木建筑和電子電器等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[10-11]。為此，本研究基于接觸有限元動力學(xué)理論，利用LS-DYNA構(gòu)建拉鏈的拉合輕滑度分析有限元模型。針對拉合過程中因拉頭與鏈牙、鏈牙與鏈牙之間復(fù)雜接觸帶來的狀態(tài)非線性問題，采用顯式計(jì)算方法來保證仿真過程的收斂性。另外，在仿真的基礎(chǔ)上，對拉鏈的鏈牙與拉頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來提高拉鏈的拉合輕滑度。

1 拉鏈的拉合輕滑度及測試方法

1.1 拉鏈簡介

拉鏈?zhǔn)且揽窟B續(xù)排列的鏈牙，使物品并合或分離的連接件，其組成部分如圖1 所示，主要由鏈牙、拉頭、布帶和上下止等組成。拉鏈的鏈牙材質(zhì)可以是尼龍、金屬或者塑鋼等，通過連續(xù)排列在由滌綸紗紡織而成的布帶上從而形成鏈帶。因此拉鏈按照鏈牙的材質(zhì)分類有尼龍拉鏈、金屬拉鏈和塑鋼拉鏈等。而拉鏈數(shù)值型號與拉鏈閉合后的寬度（拉鏈合寬）成正比。5 號金屬拉鏈的拉合輕滑度將是本次的研究對象。

圖1 拉鏈結(jié)構(gòu)示意圖

拉鏈鏈牙類似湯勺狀，湯勺底部能與另一條布帶上相對的湯勺內(nèi)部相匹配（如圖2）。拉頭內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)“Y”型槽，當(dāng)拉頭往復(fù)移動時(shí)，兩條鏈帶上的鏈牙可以在“Y”型導(dǎo)槽的作用下依次嚙合或者分離。上下止的尺寸超過拉頭的口高，因此可以避免拉頭從鏈帶上滑出。

圖2 拉鏈工作原理示意圖

拉鏈輕滑度測試是指利用試驗(yàn)機(jī)測得拉鏈在拉合過程拉頭上的最大力值。該力值越小，拉合輕滑度越高，說明拉合越順暢，拉鏈的拉合性能越佳。由于拉合過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，涉及到復(fù)雜的接觸問題與布的變形，所以拉鏈的拉合輕滑度與很多因素有關(guān)。

1.2 測試方法與結(jié)果

拉合輕滑度測試參照國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬拉鏈Q(jìng)B/T 2171-2014/7.2.2》[12]，具體測試參數(shù)如下。

測試設(shè)備：拉合輕滑度試驗(yàn)機(jī)

測試精度：±0.5%FS

測試范圍：0～20N

測試速度：1250mm/min

測試步驟：首先，針對5#金屬拉鏈，截取一段長度為200mm 的帶頭鏈帶，拉頭在鏈帶上往復(fù)拉動3 次后將鏈帶拉開平放在工作臺上，分開部分的鏈帶用手抹平；其次，將未分開的鏈帶一端裝入固定夾具中鎖緊，拉片套在移位夾具上，如圖3 所示，測試儀讀數(shù)清零；最后，啟動測試儀，移位夾具帶動拉頭移動至固定夾具上端30mm 處，儀器顯示最大數(shù)值即為輕滑度。

圖3 拉合輕滑度測試示意圖

選取3 條SBS 的5# 金屬拉鏈進(jìn)行輕滑度測試，得到輕滑度測試結(jié)果，如圖4 所示。將拉力隨時(shí)間的變化曲線轉(zhuǎn)化為拉力隨拉頭移動位移的變化曲線，方便后續(xù)與準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。從圖4 中可以看出，3 條拉鏈的最大拉合輕滑力分別為1.79N、1.51N、1.75N，平均值為1.68N，方差為0.015，離散程度較小。

圖4 拉合輕滑度測試結(jié)果曲線

2 拉鏈的拉合輕滑度有限元模型

2.1 有限元模型的建立

為了分析拉鏈在拉合過程中的拉頭受力情況，根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮到計(jì)算效率問題，有限元仿真模型建模過程中針對拉鏈實(shí)物進(jìn)行了簡化。由于布帶不抗剪、不抗壓的力學(xué)特性決定其在拉鏈拉合過程中并沒有太大影響，因此有限元模型中，減小了布帶的寬度。有限元網(wǎng)格處理如圖5 所示，鏈牙和拉頭使用四面體網(wǎng)格，布帶采用六面體網(wǎng)格：單個(gè)鏈牙有3690個(gè)單元，單元尺寸為0.20mm，在牙鉤接觸位置最小單元尺寸為0.05mm，模型總共有68 個(gè)鏈牙；拉頭有11256 個(gè)單元，最小單元尺寸0.05mm；布帶有14016個(gè)單元，單元尺寸為0.30mm。金屬拉鏈的鏈牙和拉頭均為銅合金，而布帶的力學(xué)性能也可簡化為普通彈性體，材料的力學(xué)性能如表1 所示。

圖5 拉鏈輕滑度分析的有限元模型

表1 拉鏈模型材料參數(shù)

模型中的連接定義分為兩種：首先鏈牙與布帶的連接屬于咬合接觸，可以使用綁定接觸；在拉合過程中鏈牙之間的接觸以及鏈牙和拉頭之間的接觸屬于摩擦接觸，可以使用面面接觸選項(xiàng)。鏈牙與鏈牙和鏈牙與拉頭之間屬于金屬摩擦，摩擦系數(shù)取0.1。

約束邊界條件如圖6 所示，在拉鏈一端約束其xyz 三方向的自由度，同時(shí)對拉頭進(jìn)行勻速拉動。國標(biāo)要求的拉合速度為20～22mm/s，該速度范圍可認(rèn)為慣性力對結(jié)果影響不顯著，因此可認(rèn)為屬于準(zhǔn)靜態(tài)過程，綜合考慮計(jì)算效率并控制整個(gè)模型動能總量小于內(nèi)能的5%前提下，提高模型內(nèi)的拉合速度至100mm/s。

圖6 拉合輕滑度仿真邊界條件

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

基于以上的有限元模型和邊界條件定義提交求解器進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后在Hyperview 中進(jìn)行后處理，拉合動態(tài)過程如圖7 所示。

圖7 拉鏈拉合動態(tài)示意圖

對拉合輕滑度曲線進(jìn)行濾波處理，得到拉合輕滑度曲線如圖8 所示，仿真計(jì)算得到的最大拉合力為1.79N。相比于圖4 中三次實(shí)驗(yàn)所測得的最大拉力值1.79N、1.75N 和1.51N，仿真結(jié)果的吻合度較高，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖8 拉合輕滑度曲線

通過對計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以量化出鏈牙和鏈牙以及鏈牙和拉頭之間的摩擦力。兩對摩擦力如圖9所示。

圖9 鏈牙與鏈牙以及鏈牙與拉頭之間的摩擦力

將拉鏈拉合過程中的接觸單元實(shí)時(shí)顯示出來，可為接下來的優(yōu)化方案提供思路。圖10 分別展示拉合過程中某時(shí)刻鏈牙與鏈牙和鏈牙與拉頭之間的接觸情況，其中紅色部分表示接觸單元。

圖10 某時(shí)刻鏈牙與鏈牙、鏈牙與拉頭之間的摩擦力單元

由圖10 可見，鏈牙與鏈牙的接觸主要發(fā)生在鏈牙外側(cè)嚙合曲線與鏈牙外緣之間，因此該部位可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化以減小摩擦力。鏈牙與拉頭的接觸主要發(fā)生在鏈牙兩側(cè)直角邊與拉頭內(nèi)側(cè)上下面以及拉頭立柱后半段與鏈牙外緣之間。

3 拉合輕滑度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

拉鏈拉合輕滑度的提高，其核心任務(wù)是優(yōu)化摩擦力的大小。因此一種可行的拉鏈優(yōu)化方法是通過外形優(yōu)化改善各個(gè)接觸對的接觸狀態(tài)，避免拉合過程中發(fā)生直接猛烈的硬接觸。基于以上有限元仿真結(jié)果，本研究針對各個(gè)接觸對的接觸區(qū)域提出以下一套優(yōu)化方案，如圖11 所示：（a）增加鏈牙兩側(cè)直角邊處倒角，考慮到拉鏈鏈牙尺寸太小的問題，為了使倒角最大化，對于5 號金屬拉鏈，設(shè)定倒角R 為0.05mm；（b）鏈牙前端外緣降低0.04mm；（c）將初始的兩段式牙點(diǎn)嚙合曲線優(yōu)化成三段式牙點(diǎn)嚙合曲線；（d）縮小拉頭前端直徑0.20mm。

圖11 針對拉合輕滑度性能指標(biāo)的優(yōu)化方案

為了便于參照對比，修改后的數(shù)模以同樣的標(biāo)準(zhǔn)劃分網(wǎng)格并設(shè)置完全一樣的計(jì)算參數(shù)。仿真計(jì)算結(jié)束后，將優(yōu)化模型的計(jì)算結(jié)果與初始模型的計(jì)算結(jié)果同時(shí)導(dǎo)入后處理軟件，對比結(jié)果如圖12 所示。

由圖12 可見，通過4 個(gè)關(guān)鍵部位的外形優(yōu)化，優(yōu)化模型的最大拉合輕滑力已從初始的1.79N 降低為1.60N，下降幅度達(dá)到10.6%，且整體波動趨勢更小。從鏈牙與鏈牙、鏈牙與拉頭這兩對接觸對的摩擦力曲線可以看出，優(yōu)化后的鏈牙與鏈牙之間的摩擦力曲線更為平滑，峰值摩擦力更小，而鏈牙與拉頭之間的摩擦力也得到了降低，可見該優(yōu)化方案可以明顯降低鏈牙與鏈牙、鏈牙與拉頭的摩擦力值，進(jìn)而提高拉鏈的拉合輕滑度。

圖12 初始模型與優(yōu)化模型的拉合輕滑度對比

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

本研究基于接觸有限元動力學(xué)理論，利用LSDYNA 構(gòu)建拉鏈輕滑度分析的有限元模型。針對拉合過程中因拉頭與鏈牙、鏈牙與鏈牙之間復(fù)雜接觸帶來的狀態(tài)非線性問題，采用顯式計(jì)算方法來保證仿真過程的收斂性。輕滑度測試結(jié)果表明了所建有限元模型的正確性。仿真結(jié)果表明鏈牙與鏈牙、鏈牙與拉頭之間的硬摩擦是影響輕滑度的主要因素，并以此為判據(jù)，對鏈牙與拉頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

5.1 基于接觸有限元動力學(xué)理論，利用LS-DYNA 構(gòu)建了拉鏈輕滑度分析的有限元模型，通過仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比證實(shí)了拉鏈輕滑度仿真模型的準(zhǔn)確性。

5.2 通過有限元仿真模型的計(jì)算數(shù)據(jù)輸出選擇，將拉合輕滑度指標(biāo)拆分成兩組摩擦接觸作用力，并通過圖形輸出選擇，快速找到接觸對的接觸位置。通過對鏈牙與拉頭的外形優(yōu)化，避免拉合過程中鏈牙與鏈牙、鏈牙與拉頭之間發(fā)生過多的摩擦，使拉鏈的拉合阻力值從1.79N 降低到1.60N，輕滑度提高了10.6%，達(dá)到了國內(nèi)同類產(chǎn)品的較高水平。