龍門纏繞/鋪放成型機(jī)龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

龍門纏繞/鋪放成型機(jī)龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

張永軍，王益軒，李明倫，黃新武，劉瑋，開(kāi)建波

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710048)

摘要：設(shè)計(jì)并建立了三種型式的纏繞/鋪放機(jī)主結(jié)構(gòu)模型，重點(diǎn)針對(duì)一種典型的纏繞/鋪放機(jī)的龍門結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、有限元建模與分析。通過(guò)Pro/E建立龍門結(jié)構(gòu)的三維模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中，利用Workbench的強(qiáng)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(dòng)梁的最大瞬態(tài)等效應(yīng)力為19.261 MPa，驗(yàn)證了龍門結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)的研發(fā)設(shè)計(jì)提供有用的參考。

關(guān)鍵詞:纏繞/鋪放成型機(jī)龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)合材料諧響應(yīng)分析瞬態(tài)分析

中圖分類號(hào)：TS 103.133文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

作者簡(jiǎn)介：張永軍(1988-)，男，安徽省含山人，西安工程大學(xué)碩士研究生，研究方向：大型數(shù)控龍門纏繞/鋪放成型機(jī)虛擬樣機(jī)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(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高、抗疲勞、耐腐蝕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、國(guó)防等領(lǐng)域。復(fù)合材料成型技術(shù)是目前國(guó)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(fù)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(diǎn)[1，7]。纏繞/鋪放機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)于復(fù)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(jī)大體上分為臥式和龍門式兩種，臥式的特點(diǎn)是將纏繞/鋪放頭安裝在工作小車上，通過(guò)小車的橫向及縱向進(jìn)給來(lái)完成對(duì)芯模的纏繞/鋪放；龍門式的特點(diǎn)是將纏繞/鋪放頭安裝在滑枕上，通過(guò)滑枕及龍門結(jié)構(gòu)的上下、左右、前后的進(jìn)給來(lái)實(shí)現(xiàn)纏繞/鋪放。龍門式由于可實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，因此是纏繞/鋪放成型機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)的主要參考類型。

1龍門纏繞/鋪放機(jī)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維建模

1.1整機(jī)設(shè)計(jì)及建模

龍門式纏繞/鋪放機(jī)通常是由龍門結(jié)構(gòu)、工作臺(tái)、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(jìn)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(guò)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(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。纏繞/鋪放頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因篇幅原因只簡(jiǎn)要介紹，主要有纖維束或帶輸送裝置、導(dǎo)向裝置、預(yù)緊裝置、夾緊裝置、剪切裝置、加熱裝置、壓實(shí)裝置、纖維束或帶回收裝置以及傳感定位裝置等組成。當(dāng)纖維束或帶由導(dǎo)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(guò)加熱裝置并加熱，最后被纏繞/鋪放到芯模表面上并通過(guò)壓實(shí)裝置壓緊，當(dāng)傳感定位裝置探測(cè)到芯模的邊界后，將信號(hào)傳給夾緊/剪切裝置并在適當(dāng)?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(jī)當(dāng)中起到主運(yùn)動(dòng)及承載作用。由纏繞/鋪放系統(tǒng)所產(chǎn)生的載荷都將會(huì)被傳遞并施加到龍門結(jié)構(gòu)上，同時(shí)纏繞/鋪放路徑主要是通過(guò)滾珠絲杠副帶動(dòng)龍門結(jié)構(gòu)作上下、前后、左右運(yùn)動(dòng)形成的，細(xì)微的調(diào)整是通過(guò)纏繞/鋪放系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)的。

本文設(shè)計(jì)了3種龍門纏繞/鋪放機(jī)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(jī)；圖2是一種改良的拱型龍門式整機(jī)，其在不失自由度的情況下簡(jiǎn)化了龍門結(jié)構(gòu)，使龍門結(jié)構(gòu)工作時(shí)更可靠穩(wěn)定；圖3是一種橋架龍門式整機(jī)，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(duì)整機(jī)的可靠性及穩(wěn)定性提出了較高要求。

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

1.工作臺(tái)；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(jī) [2]

如圖2所示，鋪放頭固定在滑枕上，滑枕安裝在弧形導(dǎo)軌上，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)滑枕沿著導(dǎo)軌運(yùn)行，即可完成一次鋪放，然后龍門電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副，帶動(dòng)龍門結(jié)構(gòu)沿著龍門軌道縱向進(jìn)給一定的寬度，完成第二次鋪放直到將整個(gè)芯模鋪滿。同時(shí)，鋪放頭可以按照?qǐng)D示的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，以便實(shí)現(xiàn)不同的鋪放路徑。

1.工作臺(tái)；2.立柱；3.橫梁；4.鋪放頭；5.滾珠絲杠副；6.滾動(dòng)支撐座；7.導(dǎo)軌；8.橋架 圖3　橋架龍門鋪放機(jī)

如圖3所示，整機(jī)實(shí)現(xiàn)縱向鋪放，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副，使龍門結(jié)構(gòu)沿著導(dǎo)道縱向移動(dòng)，從而使鋪放頭沿著導(dǎo)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(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副橫向移動(dòng)一定的寬度，再進(jìn)行第二次鋪放，直到將整個(gè)芯模鋪滿。同時(shí)，鋪放頭可沿著滑枕上下移動(dòng)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(xì)設(shè)計(jì)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(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，觀察所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否符合要求。

對(duì)于龍門纏繞/鋪放機(jī)，在設(shè)計(jì)龍門結(jié)構(gòu)時(shí)，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(duì)橫梁及立柱添加適當(dāng)?shù)慕畎澹瑫r(shí)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(dòng)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(shí)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(kāi)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(dǎo)入到DesignModeler幾何建模平臺(tái)中。接下來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的方法很多，通常有自動(dòng)劃分法、四面體劃分法、六面體主導(dǎo)法、掃掠法、多區(qū)域劃分法；同時(shí)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(rèn)，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(xué)分析

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

用ANSYS Workbench做分析時(shí)需要對(duì)所分析的對(duì)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(duì)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(yùn)動(dòng)，因此在做靜力學(xué)分析時(shí)將其視為靜止?fàn)顟B(tài)，將立柱的底端固定，同時(shí)將纏繞/鋪放系統(tǒng)對(duì)動(dòng)梁的壓力F=5 000 N添加到梁的中間位置，最后進(jìn)行求解，得到龍門結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(qiáng)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(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，因此，滿足設(shè)計(jì)要求。最大變形量為0.206 42 mm，符合實(shí)際要求。

3龍門結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

用ANSYS Workbench對(duì)一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行模態(tài)分析的目的是求出其固有頻率，最終使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在外力作用下所產(chǎn)生的外激振力的頻率避開(kāi)固有頻率，以免產(chǎn)生共振。將龍門結(jié)構(gòu)兩個(gè)立柱的底端全固定，整個(gè)結(jié)構(gòu)不需要添加任何載荷，通過(guò)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(kāi)外激振力頻率，如果要提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以通過(guò)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(shí)間按簡(jiǎn)諧規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，分析過(guò)程中只計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，不考慮激振開(kāi)始時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)，諧響應(yīng)分析的目的在于計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)值對(duì)頻率的曲線，從而使設(shè)計(jì)人員能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)性動(dòng)力特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否能克服共振、疲勞以及其他受迫振動(dòng)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(shí)際情況設(shè)定諧響應(yīng)最大頻段140 Hz；其次，在動(dòng)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(gè)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(duì)應(yīng)的相位角、應(yīng)力頻率響應(yīng)及其對(duì)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(shuō)明整個(gè)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(lì)頻率一定要避開(kāi)這些頻率。

5龍門結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的目的是確定結(jié)構(gòu)在受到任意隨時(shí)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(lì)時(shí)間很短，但振動(dòng)幅度卻很大，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生短時(shí)間的過(guò)應(yīng)力現(xiàn)象，有較大的破壞力，因此對(duì)這類瞬態(tài)振動(dòng)的分析十分必要[5]。

圖12　動(dòng)梁結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格圖

本文著重對(duì)龍門結(jié)構(gòu)的動(dòng)梁進(jìn)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(dòng)梁與導(dǎo)軌的摩擦接觸副(摩擦系數(shù)設(shè)為0.2)、動(dòng)梁與導(dǎo)軌的移動(dòng)副以及立柱底端的固定約束副，給動(dòng)梁與導(dǎo)軌所產(chǎn)生的兩個(gè)移動(dòng)副分別設(shè)定一個(gè)瞬態(tài)速度0.1 m/s，持續(xù)時(shí)間設(shè)為1s，分析求解得到1s內(nèi)動(dòng)梁的等效應(yīng)力及加速度隨時(shí)間的變化曲線圖以及在最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)動(dòng)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(dòng)梁在0.01 s時(shí)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(dòng)梁與導(dǎo)軌的接觸附近，因此要觀察其最大應(yīng)力不能超過(guò)材料的屈服應(yīng)力。由圖14可知，動(dòng)梁的瞬間最大等效應(yīng)力為19.261 MPa，遠(yuǎn)低于梁的屈服強(qiáng)度270 MPa，因此，滿足設(shè)計(jì)要求。

6結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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(jì)要求；通過(guò)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(shí)要避開(kāi)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(guò)程中難免會(huì)發(fā)生瞬態(tài)沖擊，瞬態(tài)激勵(lì)過(guò)大往往會(huì)破壞結(jié)構(gòu)的性能，文中分析了動(dòng)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(jì)要求。

本文利用ANSYS Workbench對(duì)龍門纏繞/鋪放機(jī)的龍門結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)、瞬態(tài)進(jìn)行了分析，為龍門纏繞/鋪放機(jī)的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了支撐，同時(shí)也為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)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(xué)教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事新型織機(jī)的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化CAD/CAE/CAM系統(tǒng)研究；大型數(shù)控龍門銑床的虛擬樣機(jī)研究；大型汽輪發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)研究等。