龍門纏繞/鋪放成型機龍門結構設計與分析

龍門纏繞/鋪放成型機龍門結構設計與分析*

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：設計并建立了三種型式的纏繞/鋪放機主結構模型，重點針對一種典型的纏繞/鋪放機的龍門結構進行詳細設計、有限元建模與分析。通過Pro/E建立龍門結構的三維模型，并導入ANSYS Workbench中，利用Workbench的強大功能分析龍門結構的靜態、模態、諧響應及瞬態特性，得到龍門結構的最大等效應力為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，動梁的最大瞬態等效應力為19.261 MPa，驗證了龍門結構滿足設計要求，為后續的研發設計提供有用的參考。

關鍵詞:纏繞/鋪放成型機龍門結構設計復合材料諧響應分析瞬態分析

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業化培育項目資助(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

復合材料具有質量輕、強度高、模量高、抗疲勞、耐腐蝕等特點，被廣泛應用于航空航天、汽車、國防等領域。復合材料成型技術是目前國內外研究的核心領域之一，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的典型代表，其具有高效、高質量、高可靠性、低成本等特點[1，7]。纏繞/鋪放機結構設計的好壞對于復合材料成型的精度及相關性能起到至關重要的作用。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，通過滑枕及龍門結構的上下、左右、前后的進給來實現纏繞/鋪放。龍門式由于可實現多自由度運動，因此是纏繞/鋪放成型機研發設計的主要參考類型。

1龍門纏繞/鋪放機主結構設計及三維建模

1.1整機設計及建模

龍門式纏繞/鋪放機通常是由龍門結構、工作臺、夾持卡盤裝置、滾珠絲杠副、纏繞/鋪放系統等組成。其工作原理是將預浸漬纖維束或者帶按照龍門結構、纏繞/鋪放頭的進給以及芯模的旋轉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。

龍門結構以及纏繞/鋪放頭是龍門式纏繞/鋪放機設計的重點。纏繞/鋪放頭內部結構較為復雜，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緊裝置后得到一定的預緊力，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/剪切裝置并在適當的位置將纖維束或帶剪斷，這樣一次完整的纏繞/鋪放就形成了；龍門結構在整機當中起到主運動及承載作用。由纏繞/鋪放系統所產生的載荷都將會被傳遞并施加到龍門結構上，同時纏繞/鋪放路徑主要是通過滾珠絲杠副帶動龍門結構作上下、前后、左右運動形成的，細微的調整是通過纏繞/鋪放系統的驅動裝置實現的。

本文設計了3種龍門纏繞/鋪放機的結構(圖1、圖2、圖3)。圖1是一種傳統的龍門式整機；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構，使龍門結構工作時更可靠穩定；圖3是一種橋架龍門式整機，其減小了龍門結構的尺寸，但是將龍門結構安裝到橋架上對整機的可靠性及穩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，每旋轉一周龍門電機驅動龍門結構，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，立柱電機驅動動梁，從而調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，驅動裝置驅動滑枕沿著導軌運行，即可完成一次鋪放，然后龍門電機驅動滾珠絲杠副，帶動龍門結構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方向旋轉，以便實現不同的鋪放路徑。

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，整機實現縱向鋪放，驅動電機驅動滾珠絲杠副，使龍門結構沿著導道縱向移動，從而使鋪放頭沿著導軌方向對芯模完成一次鋪放，一次鋪放完成之后，橫梁上的驅動電機驅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，這樣可以調整鋪放頭與芯模之間的距離及弧形曲面的鋪放。

1.2龍門結構詳細設計及有限元建模

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

對于龍門纏繞/鋪放機，在設計龍門結構時，最主要的要求是要保證龍門結構的剛度、穩定性及抗振性。因此，通常對橫梁及立柱添加適當的筋板，同時要做好防銹及表面處理并消除焊接及鑄造應力[3，8，9，10]。

在Pro/E中分別建立龍門結構的動梁、定梁、立柱及相關附屬零件模型，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。接下來進行網格劃分，網格劃分的方法很多，通常有自動劃分法、四面體劃分法、六面體主導法、掃掠法、多區域劃分法；同時還有很多劃分技巧及參數設置，這里不再贅述，本文所涉及的網格劃分只將單元尺寸設置為0.1 m，其余均采用默認，所劃分的網格如圖5所示。

圖4　龍門結構的三維模型　圖5　龍門結構的網格圖

2龍門結構的靜力學分析

龍門結構是龍門纏繞/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，其結構也會發生細小的變化。如果變化過大，將會對整機的工作性能產生較大影響，甚至影響到整機的安全性能及使用壽命。因此，分析龍門結構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。本文所分析龍門結構的材料為ZG270-500，其主要參數：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，對龍門結構施加載荷和約束，由于龍門結構始終作勻速運動，因此在做靜力學分析時將其視為靜止狀態，將立柱的底端固定，同時將纏繞/鋪放系統對動梁的壓力F=5 000 N添加到梁的中間位置，最后進行求解，得到龍門結構的強度和剛度結果。如圖6、圖7所示。

圖6　龍門結構的變形云圖　圖7　龍門結構的應力云圖

ZG270-500的屈服強度為270 MPa，由圖7可知，龍門結構的最大等效應力為9.6277 MPa，遠低于屈服強度，因此，滿足設計要求。最大變形量為0.206 42 mm，符合實際要求。

3龍門結構的模態分析

用ANSYS Workbench對一個產品進行模態分析的目的是求出其固有頻率，最終使所設計的產品在外力作用下所產生的外激振力的頻率避開固有頻率，以免產生共振。將龍門結構兩個立柱的底端全固定，整個結構不需要添加任何載荷，通過模態分析，得出龍門結構的固有頻率和振型，表1列出了龍門結構的前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

龍門結構前20階固有頻率

圖8　龍門結構第5階振型圖圖9　龍門結構第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。在不改變結構參數的情況下，應盡量使結構的固有頻率避開外激振力頻率，如果要提高結構的固有頻率，可以通過修改結構的內部布局，如添加筋板之類[3，6，8，9，10]。

4龍門結構的諧響應分析

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

首先，求出龍門結構的前20階頻率，其最大自振頻率為214.41 Hz，根據實際情況設定諧響應最大頻段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方向變形頻率響應及其對應的相位角、應力頻率響應及其對應的相位角[8-10]。

圖10

圖11

由變形頻率響應和應力頻率響應可知，在頻率11 Hz、55 Hz、60 Hz、80 Hz、100 Hz、117 Hz、127 Hz、137 Hz附近處出現了峰值，說明整個龍門結構在該處產生了共振且應力值最大，因此，外激勵頻率一定要避開這些頻率。

5龍門結構的瞬態分析

瞬態動力學分析的目的是確定結構在受到任意隨時間變化的載荷的作用下系統的響應。在某些情況下，盡管結構所受到的瞬態激勵時間很短，但振動幅度卻很大，會使結構產生短時間的過應力現象，有較大的破壞力，因此對這類瞬態振動的分析十分必要[5]。

圖12　動梁結構的網格圖

本文著重對龍門結構的動梁進行瞬態分析，選擇ANSYS Workbench中的Transient Structural模塊，將立柱和定梁都設為剛體，其網格劃分如圖12所示，添加動梁與導軌的摩擦接觸副(摩擦系數設為0.2)、動梁與導軌的移動副以及立柱底端的固定約束副，給動梁與導軌所產生的兩個移動副分別設定一個瞬態速度0.1 m/s，持續時間設為1s，分析求解得到1s內動梁的等效應力及加速度隨時間的變化曲線圖以及在最大值所對應的時間點動梁的等效應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時的等效應力值最大且由圖14可知，最大應力值集中在動梁與導軌的接觸附近，因此要觀察其最大應力不能超過材料的屈服應力。由圖14可知，動梁的瞬間最大等效應力為19.261 MPa，遠低于梁的屈服強度270 MPa，因此，滿足設計要求。

6結束語

通過龍門結構靜態分析可知，龍門結構最大靜力變形0.206 42 mm、最大等效應力9.627 7 MPa，滿足設計要求；通過模態及諧響應分析可知，龍門結構在其固有頻率處產生了峰值，因此龍門結構在工作時要避開其固有頻率，以免產生共振；由瞬態分析可知，龍門結構在工作過程中難免會發生瞬態沖擊，瞬態激勵過大往往會破壞結構的性能，文中分析了動梁的瞬態特性，得到其最大瞬態等效應力為19.261 MPa，滿足設計要求。

本文利用ANSYS Workbench對龍門纏繞/鋪放機的龍門結構的靜態、模態、諧響應、瞬態進行了分析，為龍門纏繞/鋪放機的后續優化設計提供了支撐，同時也為同類產品的設計開發提供參考。

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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系統研究；大型數控龍門銑床的虛擬樣機研究；大型汽輪發電機定子、轉子結構系統的虛擬樣機研究等。