基于ANSYS的噴碼檢品機噴墨頭聯接件有限元分析

楊承鑫 張陽 蔡吉飛

摘要：噴墨頭通過聯接件與噴碼檢品機相連接，聯接件的變形以及振動都會影響到噴碼精度。為了降低噴墨頭聯接件的變形以及振動對噴碼精度的影響，以噴墨頭聯接件為研究對象，運用SolidWorks對噴碼檢品機噴墨頭聯接件進行三維模型繪制，并保存為parasolid格式導入到ANSYS Workbench中進行有限元靜力學分析，得到噴墨頭聯接件形變量為0.02mm，形變量較小、滿足要求。再對噴墨頭聯接件進行模態分析和諧響應分析，通過模態分析和諧響應分析得出噴墨頭聯接件的固有頻率、振型以及振幅與頻率的關系，并且通過對比模態分析與諧響應分析結果，發現四階固有頻率697.15Hz對聯接件影響較大，容易引起共振現象。

關鍵詞：噴墨頭聯接件；靜力學分析；模態分析；固有頻率

中圖分類號：TB48；TS8 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2021） 08-0033-04

基金項目：北京市教委科研計劃一般項目（噴碼印刷動態定位關鍵技術的研究KM2019100150005）；北京市教委面上項目（高速印刷機凸輪系統沖擊問題建模及參數識別方法研究KM201810015007）

Finite Element Analysis of Inkjet Head Connector of Code Spraying Inspection Machine Based on ANSYS

YANG Cheng-xin， ZHANG Yang， CAI Ji-fei

（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： The inkjet head is connected with the code-spraying inspection machine through a coupling， and the deformation and vibration of the coupling will affect the code-spraying accuracy. In order to reduce the influence of the deformation and vibration of the inkjet head coupling on the code-spraying accuracy， Use SolidWorks to draw the three-dimensional model of the ink-jet head connector of the codespraying inspection machine， save it as parasolid format and import it into ANSYS Workbench for finite element statics analysis. The deformation of the ink-jet head connector is 0.02mm， which is small and meets the requirements. Then， make modal analysis and harmonious response analysis of the ink-jet head connector. Through modal analysis and harmonic response analysis， the natural frequency， mode shape and the relationship between amplitude and frequency of inkjet head coupling are obtained. By comparing the results of modal analysis and harmonic response analysis， it is found that the fourth-order natural frequency of 697.15Hz has great influence on the coupling， which is easy to cause resonance phenomenon.

Key words： inkjet head connector； static analysis； modal analysis； natural frequency

近年來，商品廠家對產品包裝噴碼精度要求越來越高，對噴碼裝置的噴碼精度提出了更高的要求，這就需要噴墨頭具有非常高的穩定性[1，2，3]。噴墨頭通過聯接件與噴碼檢品機相連接，受到工作環境的影響，聯接件在工作過程中受到與其聯接的零部件運轉所引起的復雜性載荷和振動，倘若引起的振動頻率達到了與噴墨頭聯接件本身的固有頻率一致或相近時，就會使噴墨頭聯接件產生共振[4，5，6，7，8]，影響噴碼精度，更嚴重甚至破壞噴墨頭聯接件的穩定性，使整個噴碼檢品機出現嚴重的安全隱患。

1 建立噴墨頭聯接件有限元模型

以噴墨頭聯接件為研究對象，利用SolidWorks三維建模軟件對噴墨頭聯接件進行建模如圖1所示，噴墨頭聯接件包括軸、噴墨頭與軸聯接件、噴墨頭與軸聯接板。將三維模型保存為parasolid格式導入到ANSYS Workbench中進行有限元分析。

1.1 定義材料屬性

噴墨頭聯接件的材料參數如表1所示：

1.2 網格劃分

網格劃分是有限元分析前處理階段中不可或缺更是十分重要的部分，網格質量好壞直接影響著求解精準度。網格尺寸越小，在一定程度上計算結果的精準度越高，但是也會增加計算機計算的負擔，延長計算時長，網格尺寸太大就不能保證計算精度。因此，在不影響計算結果精度的前提下，選用尺寸為2.0 mm的網格作為網格劃分標準，網格劃分之后的有限元模型如圖2所示，其中節點數為267701個，單元數為156450個。

2 有限元靜力學分析

對噴碼檢品機噴墨頭聯接件施加約束，并對聯接件添加自身重力及施加相應的作用力，噴碼品檢機噴墨頭聯接件在靜態下系統的變形和應力分布情況如圖3，4所示。

從噴墨頭聯接件變形云圖（圖3）和噴墨頭聯接件應力云圖（圖4）可以看出，在施加噴墨頭聯接件自身重力以及相應作用力條件下，噴墨頭聯接件向下變形，最大變形量為0.019mm，應力發生在旋轉軸上與噴墨頭連接件接觸處，最大應力為10.615MPa。最大形變量0.019mm遠遠小于要求的定位精度0.1mm，聯接件的承載能力和剛度也能夠滿足要求。

3 模態分析

模態是機械結構的固有振動特性，每個模態具有特定的固有頻率和模態振型，這2個參數可以通過模態分析求解，模態分析是動力學分析中的基礎內容，主要用于在產品設計之前預先避免可能引起的共振。由牛頓定律容易得到：

通過模態分析得出噴碼檢品機噴墨頭聯接件前6階變形云圖如圖5所示，固有頻率和振型如表2所示。

從圖5可以看出，噴墨頭聯接件最小固有頻率為1.356e-3Hz，最大固有頻率為1115.4Hz，其中5階模態當固有頻率為1001.4Hz時，噴墨頭聯接件變形達到最大為32.981mm，4階模態當固有頻率為697.15Hz時，噴墨頭聯接件變形值最小，變形值為17.923mm。結合表2可以看出當外部的激勵頻率與噴墨頭聯接件的固有頻率接近或相同時，聯接件的噴墨頭與軸聯接件和噴墨頭與軸聯接板容易出現彎曲變形。

4 諧響應分析

上文對噴墨頭聯接件進行了模態分析，為了探究外部的激勵使噴墨頭聯接件共振時噴墨頭聯接件的變形狀況，在其固有頻率附近施加激勵，使其產生共振，這涉及到動力學分析中的諧響應分析，其動力學微分方程為：

前文對噴墨頭聯接件進行的模態分析，噴墨頭聯接件在這6階的固有頻率附近都有可能發生共振，所以在0-1200Hz之間進行一次掃頻分析，取子步為40個。

以上述分析為基礎，對采噴墨頭聯接件整體進行諧響應分析，得到了在x軸、y軸和z軸3個方向上振幅與頻率之間的關系曲線圖如圖6所示。

從圖6的諧響應分析振幅與頻率關系曲線圖可以看出，在x軸方向上，頻率在697.15Hz和1001.4Hz處幅值最大；在y軸方向上，頻率在334.41H和697.15Hz處幅值最大；在z軸方向上，頻率在697.15Hz和1001.4Hz處幅值最大。從這些數據可以看出，X，Y，Z三個方向上的響應最大值都在頻率為697.15Hz時達到，為了降低噴墨頭聯接件的振動對噴碼精度的影響，要避免該頻率附近的外部激勵。

5 結論

通過建立噴碼檢品機噴墨頭聯接件有限元模型，先進行靜力學分析，在自身重力以及相應作用力條件下，噴墨頭聯接件最大變形量為0.019mm，遠遠小于要求的定位精度0.1mm，變形量滿足要求，最大應力為10.615MPa，即聯接件的承載能力和剛度也能夠滿足要求。再對其進行模態分析和諧響應分析，得到了噴墨頭聯接件的前6階模態變形云圖（圖5）以及頻率與振幅之間的關系曲線圖（圖6），發現在697.15Hz附近，噴墨頭聯接件最容易出現共振現象，應盡可能避免該頻率附近的外部激勵。

參考文獻：

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